萬(wàn)榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105）

低碳微合金鋼中釩的替代研究

萬(wàn)榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105）

通過(guò)對(duì)含釩和不含釩試驗(yàn)鋼的顯微組織分析和力學(xué)性能測(cè)試，研究了低碳微合金鋼中以鈮代釩的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低碳微合金鋼中以鈮代釩具有可行性。鈮可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等作用，保證以鈮代釩后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，同時(shí)還能降低屈強(qiáng)比、改善焊接性能和軋制織構(gòu)，并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

低碳微合金鋼；顯微組織；釩

低碳微合金鋼是目前低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA鋼）研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。HSLA鋼廣泛應(yīng)用于能源開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機(jī)械制造等領(lǐng)域。因此，低碳微合金鋼除了要有高的強(qiáng)度和良好的韌性外，還要求具有良好的焊接性能和低的屈強(qiáng)比。鈮、釩和鈦是微合金鋼中最常用的合金元素。釩在微合金鋼中的主要作用就是析出強(qiáng)化，但這勢(shì)必會(huì)對(duì)鋼的焊接性能和屈強(qiáng)比產(chǎn)生不利影響。鈮在鋼中有細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等作用，可以彌補(bǔ)去釩后鋼的性能損失，從理論上可以實(shí)現(xiàn)在低碳微合金鋼中以鈮代釩的目的。另一方面，以相對(duì)低含量的鈮替代高含量的釩，可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以兩種含釩和不含釩的低碳微合金鋼作為試驗(yàn)鋼，通過(guò)顯微組織分析和力學(xué)性能測(cè)

試，研究在低碳微合金鋼中以鈮代釩可行性。此外，還對(duì)以鈮代釩的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行測(cè)算。從而為鈮微合金化理論在其他鋼種的應(yīng)用提供力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益上的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼的具體化學(xué)成分如表1所示。V20鋼為以鈮代釩前的成分，其中釩的含量為0.02%，Nb30鋼為以鈮代釩后的成分，其中釩的含量降為0，鈮的含量增加0.004%。試驗(yàn)鋼經(jīng)熔煉、澆鑄，最后熱軋成20 mm厚的板材。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對(duì)軋制后的板材進(jìn)行取樣，沿軋制方向?qū)⒃嚇幽テ?、拋光，?%的硝酸酒精浸蝕。最后用配備有Image-Pro Plus軟件的Leica DMRD正置式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行試樣顯微組織觀察和分析，并利用JSM-7600F掃描電子顯微鏡對(duì)組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

對(duì)軋制后的板材進(jìn)行取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB/T228-2002），在SHIMADZU-100 kNA材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為10-3s-1。此外，還將軋制后的板材制成標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣（GB/T229-2007），在JB-300手動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫沖擊韌性測(cè)試，測(cè)試溫度為0℃。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表3個(gè)平行試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖1所示為試驗(yàn)鋼以鈮代釩前后的顯微組織。V20鋼的組織如圖1（a）所示，主要為鐵素體＋珠光體，白色區(qū)域?yàn)殍F素體組織，黑色區(qū)域?yàn)橹楣怏w組織，幾乎很少發(fā)現(xiàn)貝氏體。從圖1（b）可以看到Nb30鋼（以鈮代釩后）的組織主要為鐵素體＋珠光體。此外，在Nb30鋼中還可以發(fā)現(xiàn)少量貝氏體組織（圖1（b）中標(biāo)示為B）。高倍掃描電鏡下貝氏體與珠光體形貌的區(qū)別如圖2所示。從圖可見(jiàn)珠光體為層片結(jié)構(gòu)，貝氏體則與以往所觀察到的形貌基本一致，由不連續(xù)的碳化物和貝氏體鐵素體板條構(gòu)成。Nb30鋼中貝氏體增多，說(shuō)明在鋼中提高鈮含量，可以促進(jìn)貝氏體等中低溫組織的形成。對(duì)比圖1 （a）和（b），可以發(fā)現(xiàn)Nb30鋼組織的晶粒尺寸明顯小于V20鋼。分別對(duì)V20和Nb30鋼的組織中的鐵素體進(jìn)行晶粒尺寸測(cè)定，V20鋼鐵素體晶粒的平均截距為5.1 μm，Nb30鋼鐵素體晶粒的平均截距為3.7 μm。這表明在鋼中添加鈮，可以起細(xì)化組織的作用。

圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織

圖2 試驗(yàn)鋼的掃描電鏡照片

此外，通過(guò)對(duì)比圖1（c）和（d），可以發(fā)現(xiàn)V20鋼中存在明顯的帶狀組織。而以鈮代釩成分調(diào)整后，Nb30鋼中的帶狀組織現(xiàn)象明顯減

弱。這說(shuō)明以鈮代釩的成分調(diào)整可以有效地抑制帶狀組織的出現(xiàn)。在鋼中常出現(xiàn)沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植嫉娘@微組織，稱為帶狀組織。帶狀組織使鋼性能變壞，特別是使橫向的塑性、韌性降低。

2.2 力學(xué)性能

如圖3所示為試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比的平均值對(duì)比。從圖3中可以看到Nb30鋼相對(duì)于V20鋼，屈服強(qiáng)度有25 MPa左右的降低，但抗拉強(qiáng)度（相差不到1 MPa）和斷后伸長(zhǎng)率（相差約1%）基本變化不大。同時(shí)屈服強(qiáng)度的降低意味著屈強(qiáng)比的降低，從圖3（b）可以看出Nb30鋼相對(duì)于V20鋼，屈強(qiáng)比降低0.043，達(dá)到0.773。這可以大大改善低碳微合金鋼的成型性能和抗震性能。通常建筑結(jié)構(gòu)用鋼要求有良好的抗震性能，即屈強(qiáng)比不大于0.8。

圖3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

如表2所示為Nb30鋼隨機(jī)抽取熱軋板卷進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試所得的平均值。由于J55鋼是Nb30鋼的目標(biāo)鋼種之一，表2中還列出了J55鋼用戶要求的力學(xué)性能。從表中可以看出，各個(gè)板卷的屈服強(qiáng)度縱向平均值為455.0 MPa，抗拉強(qiáng)度縱向平均值為588.8 MPa，伸長(zhǎng)率縱向平均值為35.8%，0℃沖擊吸收能量在橫向達(dá)到49.8 J，在縱向達(dá)到108.0 J。盡管以鈮代釩后的Nb30鋼屈服強(qiáng)度有所下降，但Nb30鋼完全可以滿足用戶在力學(xué)性能上的要求，且接近上限。

鈮在試驗(yàn)鋼中的主要作用：一是抑制熱軋過(guò)程中再結(jié)晶的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化；二是在過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，促進(jìn)貝氏體的形成獲得雙相或多相組織實(shí)現(xiàn)相變強(qiáng)化；此外，在熱軋后冷卻過(guò)程中析出鈮的碳氮化物實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。釩在試驗(yàn)鋼中的主要作用是在熱軋后冷卻過(guò)程中析出釩的碳氮化物實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。鈮可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化彌補(bǔ)去釩后失去的釩的析出強(qiáng)化，使以鈮代釩后低碳微合金鋼的力學(xué)性能得到保證，實(shí)現(xiàn)以少量的鈮替代大量的釩。此外，由于鈮可以促進(jìn)貝氏體等轉(zhuǎn)變形成雙相或多相組織，使試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度略有降低，而抗拉強(qiáng)度維持不變，屈強(qiáng)比由0.815降到0.773，從而改善低碳微合金鋼的成型性能和抗震性能。

表2 Nb30鋼的力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)研究表明，在低碳微合金鋼中以鈮代釩是可行的。在組織上，以鈮代釩后，試驗(yàn)鋼組織中除了鐵素體＋珠光體，還出現(xiàn)少量貝氏體，且鐵素體晶粒的平均截距由5.1 μm降低為3.7 μm，組織得到細(xì)化。此外，以鈮代釩的成分調(diào)整可以有效地抑制帶狀組織的出現(xiàn)。力學(xué)性能上，以鈮代釩后，盡管屈服強(qiáng)度有25 MPa左右的降低，但抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率基本保持不變，還有良好的低溫沖擊性能和低的屈強(qiáng)比，力學(xué)性能完全能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求，且有很大的富余。焊接性能上，根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式（CE＝C＋Mn/6＋（Ni＋Cu）/15＋（Cr＋Mo＋V）/5），在鋼中不添加釩可以明顯改善焊接性能。經(jīng)濟(jì)效益上，去掉0.02%的釩，每噸鋼降低成本36元（2013年12月FeV50價(jià)格：9萬(wàn)元/噸）；增加0.004%的鈮，每噸鋼增加成本13元 （2013年 12月FeNb60價(jià)格：19.5萬(wàn)元/噸）；合計(jì)每噸鋼可以降低成本23元。如果該鋼種在鋼廠產(chǎn)量為5 000噸/月，便可降低生產(chǎn)成本10.6萬(wàn)元/月。此外，鈮的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，F(xiàn)eNb60價(jià)格一直保持在20萬(wàn)元/噸左右，釩的價(jià)格一直波動(dòng)很大，F(xiàn)eV50價(jià)格在2008年金融危機(jī)前一度超過(guò)40萬(wàn)元/噸，相對(duì)此時(shí)以鈮代釩的經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。

3 結(jié)論

鈮可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等作用，保證以鈮代釩后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，同時(shí)還能夠降低屈強(qiáng)比、改善焊接性能和軋制織構(gòu)。

低碳微合金鋼中以鈮代釩具有可行性，并可以降低鋼的生產(chǎn)成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]楊雄飛,于浩.V-N微合金化Q460GJC鋼板的研發(fā)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2013(1):39-42.

[2]龔維冪,楊才福,張永權(quán),等.低碳釩氮微合金鋼中V(C，N)在奧氏體中的析出動(dòng)力學(xué)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2004(6):41-46.

[3]解家英,王鳳琴,寧林新,等.X80管線鋼中Nb元素析出規(guī)律的研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2010(9):38-42.

[4]甘曉龍,岳江波,陳子宏,等.Ti-Nb微合金化對(duì)低碳高強(qiáng)度鋼組織和性能的影響[J].特殊鋼,2012(6):32-35.

[5]東濤,傅俊巖.微鈮處理鋼的物理冶金[J].微合金化技術(shù), 2002(3):48-53.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Study on the Replacement of Vanadium in Low-carbon Micro Alloyed Steel

WAN Rongchun
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125105,China)

This article studied the feasibility of niobum in replacement of vanadium in low-carbon micro alloyed steel by mechanical property tests and microstructures analysis carried out on two kinds of steels micro alloyed with V and without V.The results showed that it has the feasibility to use Nb in replacement of V in low-carbon micro alloyed steel by tensile through the grain-refinement strengthening,precipitation strengthening and phase transformation strengthening by Nb.And it can guarantee the mechanical properties of the niobium vanadium steel test,reduce the yield ratio,improve weldability and rolling texture,and have a certain economic benefits.

low-carbon micro alloyed steel;microstructure;vanadium

TG142.2

A

2095-5928（2014）04-32-03

2014-01-10

萬(wàn)榮春（1981-），男，浙江衢州人，講師，博士，研究方向：金屬材料組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。