1、熱軋薄板中釩微合金化的回顧Robert J Glodowski（美國戰略礦物公司，皮茨堡市，賓夕法利亞州，美國） 1 2今天我想講解并回顧作為熱軋板微合金添加物釩的優勢。對于薄鋼板生產廠商來說有幾種微合金元素，包括鈮，鈦和釩。隨著新型薄板坯直接軋制軋機的出現，人們對作為薄板材微合金化元素的釩產生了新的興趣。因為軋制工藝的限制突出了釩的某些獨特優勢。根據每種主要特性產生的性能和軋制工藝優點，釩在鋼中的的重要冶金性能可以分為三大類。要討論的第一類冶金性能就是釩的碳氮化合物在奧氏體中的高溶解性。第二，就是釩的低溶解牽引系數的益處，當我們在軋制板材時經常不會加以考慮，這種觀點要加以審核。最后，要討論釩

2、和氮的相互積極作用從而有效利用鋼中的殘氮元素。 3 4此圖表顯示微合金碳和氮化合物各種形式的相對溶解度。VC的溶解度很高，在奧氏體中容易溶解，只有在鐵素體形成后，在冷卻中沉淀。TiC, NbC以及VN有著非常相似的溶解度，這很有趣因為到目前為止它們是最重要的沉淀強化劑。碳化物和氮化物每一種形式的合金化物在溶解度方面對于Ti和V來說遠遠大于Nb. 由于碳在奧氏體中的溶解度很高，鋼中的碳水平將控制在再加熱期間奧氏體中鈮的溶解量。事實上，碳的水平在再加熱期間對釩的溶解性沒有作用。對鈦而言，氮化合物實際上在通常的加熱溫度下是不溶解的。鋁是不會形成碳化合物的，因為它的晶粒細化特點，氮鋁化合物AlN在奧氏

3、體中是很難溶解的。但是，在溶解之后的冷卻過程中，AlN合成物的運動是非常緩慢的，從而使其它的氮化合物，比如VN形成，盡管它們比AlN更容易溶解。與其它微合金物相比，鋼中的許多好處使得生產工藝變成了釩（碳，氮）化合物高溶解性的產物。這些好處包括裂紋最底的優異的可鑄性，降低的再加熱溫度需求，以及在一個較大合金范圍內的可預測強化。 5 6因為VC和VN的高溶解度，凝固之后，在晶界處有很少或者沒有沉淀。與鈮鋼相比，結果，通常與微合金鋼相關的延展槽的起使點就在一個較低的溫度值上。這樣為板坯在澆鑄之后進行矯直而不產生橫向裂紋提供了較大的溫度范圍。本圖表顯示了釩鋼與普碳鋼和其它微合金鋼相比裂紋敏感度的下降情

4、況。在這種情況下，質量測量是在有一定彎曲應變的鑄態板坯中測量所產生的裂紋長度。碳-錳以及碳-錳-釩鋼種只有很小的裂紋，而，含鈮鋼卻展示出重大的裂紋增長。釩的高溶解度降低了在晶界出沉淀的趨勢，從而降低了這種鋼種的裂紋敏感度。碳-錳-釩-氮鋼種的裂紋趨勢增加很有可能是AlN沉淀的結果，而并非VN的沉淀結果。對于這些含氮量高的鋼種，減少鋁的含量是有利的。 7 8為了使任何一種微合金在軋制狀態下有效地提供強化力量，在加熱階段就必須是熔融狀態。再次說明，釩（碳，氮）化合物的高溶解度是有優勢的因為它降低了全熔融所需的溫度和時間。這對于薄板坯直接軋制操作來說尤為正確，因為隧道式退火爐的加熱能力是有限的。這張

5、曲線圖顯示了在再加熱期間為了獲取釩和鈮在溶液中各種數量所需的溫度。1150 C，在直接軋制操作中，隧道式退火爐里一個非常典型的最大溫度值在氮含量呈200 ppm N情況下，完全能夠達到0.15%的釩含量，而在一種0.10%的碳鋼中溶液中的鈮最大量大約為0.03%。即使當加熱到1300 C附近，傳統的板坯再加熱溫度值時，溶液中的鈮含量也是有限的，尤其在高碳含量情況下。 9 10再次因為釩（碳，氮）的高溶解度，金相組織轉變后釩（碳，氮）沉淀的強化作用是非常可以預期的。正如前面幾張幻燈片所演示的一樣，無論碳和氮在鋼中的含量多少，事實上，在加熱期間所有的釩都將進入溶液中。結果，倘若在屈服強度方向上畫一

6、條近似的上升直線，釩舔加物含量達到0.15%時就可以用作沉淀強化。對于諸如鈮這樣的合金，它在通常加熱溫度情況下已接近溶解極限，溶液中的合金量將取決于加熱溫度以及碳和氮的呈現量，在不需要仔細的工藝控制情況下導致不一致的強化結果。另外，釩可以用于所有含碳級別范圍內。這樣的樣例在以后的舉例中將有說明。相對于其它微合金而言，釩具有較低的溶解牽引系數。本圖表顯示了釩的溶解牽引系數以及與其它元素相比較的情況。這種溶解牽引造成了奧氏體在變形過程中和之后還原以及在結晶的延遲。倘若在晶相組織轉變之前有用奧氏體晶粒的“烤薄餅法”對鐵素體晶粒進行細化的機會，鈮的這種特性就是造成提升再結晶溫度升高的因素。從而將細化某

7、些最終的鐵素體晶粒。但是，鈮這種延遲奧氏體再結晶的特性在需要進行再結晶時也可以是有害的。 11 12釩在奧氏體中低溶解牽引系數的益處包括可以使用再結晶控制的軋制（RCR）作為奧氏體晶粒細化的熱能-機械工藝，減少在軋制期間全再結晶所需要的溫度和變形量，而且因為奧氏體在機架間快速的還原和再結晶從而可以降低軋制力的要求。在軋制期間通過再結晶，RCR軋制工藝的使用提供了重復的奧氏體晶粒細化。每一個軋道都產生新的奧氏體晶粒，從前面的晶粒中，尺寸都可以細化。因為再結晶工藝本身可以提供奧氏體晶粒的細化，因此沒有必要降低終軋溫度到再結晶的終止溫度之下。在最后軋道之后對熱軋機的輸出輥道使用薄片狀冷卻方法快速冷卻

8、。將減少在相變之后奧氏體晶粒的增長。快速冷卻也可以降低相變溫度以確保極其細微的奧氏體晶粒尺寸。 13 14因為奧氏體再結晶是遲緩的，在軋制期間通過板坯的厚度可以很容易得到奧氏體的完全結晶，盡管變形張力可能不同。結果是從產品表面到中心奧氏體晶粒在尺寸上讀更加均勻，從而導致更加均勻的機械性能。這種奧氏體再結晶的容易性在板坯軋制帶鋼中尤為重要，因為有時要完成已進入軋制工藝中的鑄態晶粒的必要再結晶是困難的。有限的加熱溫度和薄板坯的最低總變形量使得很難通過厚度獲得完全的再結晶。具有較高終軋溫度的RCR軋制工藝的使用，與奧氏體快速再結晶和還原特性一起導致軋制力需求的減少。另外，釩（碳，氮）化合物在奧氏體中

9、的有限沉淀減少了在軋制期間的強化作用，而且引起了軋制力需求的減少。 15 16下面三幅曲線圖顯示了威爾士大學Clare Wynn教授在美國新奧爾良召開的2004 MS&T大會上呈現的工作成果。在這項工作中包括了對一系列含鈮和含釩低碳鋼所作的單位寬度軋制力的測量值。這張圖表明了一系列鈮含量從0.015%到0.045%水平的每個軋制道次所要求的軋制力。正如所顯示的一樣，鈮含量的差別只有很小，但是每一個軋制道次的軋制力都增加了。這幅和下幅曲線圖顯示了一系列含釩鋼，從0.03%到0.08%釩的相似的數據。再次，不同的含釩水平之間，其差別并不大，但是，通常每一個軋制道次都要求增加軋制力。問題是，

10、不同的合金體系之間差別是什么。 17 18本曲線圖顯示了前面兩張圖表所顯示的鈮和釩鋼種的平均值。含釩鋼的軋制力需求一直比含鈮鋼低，尤其在終軋道次時差別更大。為了演示這種情況，我們使用了每個道次相等的壓下量和軋制溫度。很明顯奧氏體的快速再結晶，以及奧氏體中任何沉淀的缺乏都導致了對含釩低碳帶鋼軋制力大幅降低的要求。釩微合金鋼的第三個冶金特性是對于氮在釩（碳，氮）沉淀物中的偏愛。正如在溶解度那一章所顯示的一樣，VC比VN更容易溶解導致釩沉淀所用的驅動力比氮沉淀時更強。結果，氮從一個多余的殘留元素轉化成合金體系中重要的部分。氮水平的管理最大限度地優化了釩添加劑的強化作用，而且用氮優先沉淀減少了氮應變時

11、效的風險。 19 20氮從多余的殘留元素轉變成合金體系中有用的部分提供了對所有鋼種中通常都存在的殘氮的有效利用。尤其是，通常情況下與電弧爐操作相關的高氮含量就不成為問題了，相反成為了一種優勢。釩是唯一作為氮化沉淀物有效強化鋼種的微合金元素。因為在氮元素出現的情況下，釩的更細微和更全面的沉淀，將含氮水平有效管理到與含釩水平相當將極大優化釩合金添加劑的成本效率。 21 22這些數字說明釩沉淀強化的氮含量提高在不同的碳含量中都有效。增強氮后的強化率是額外增加氮每10 ppm標準大約為7 Mpa，與含碳量無關。另外增加碳可以提高屈服強度，但是不會改變增加氮的強化貢獻。本章曲線圖說明了釩添加劑增加后的相

12、對強度，和被含氮量影響的情況。一旦釩添加劑超過化學計量的水平（V：N = 37.7：1），釩的強化率將會減少。在氮元素沒有后，只有碳作沉淀強化之用。VC沉淀的效果是有限的，而且可以受到工藝參數，比如，冷卻率的影響。正如曲線圖所演示的，用 50 ppm氮提升150 MPa的強度需要0.10%以上的釩。但是，如果有150 ppm的氮存在，要提升同樣強度的150MPa，只用0.06%的釩添加劑就可以獲得。 23 24因為釩對氮的偏愛，加入釩后，自由氮就減少了。結果，希望完成VN沉淀的工藝處理將既提供最有效的強化，同時又消除氮的應變時效。本曲線圖顯示了用一定范圍的含氮量對一系列含碳和釩鋼進行100 C

13、應變時效測試的結果。這些樣品取自CSP軋機生產的帶鋼，有些樣品取自鋼卷冷卻階段之前。由于缺少軋制后的鋼卷冷卻階段，因此在時效指數的結果中一定是分散的，盡管很明顯在釩鋼中有用高氮含量來降低時效指數的趨勢。為了完成VN沉淀，希望要有一個很好的鋼卷冷卻過程，成雙的樣品被加熱到600 C并進行緩冷以便模擬鋼卷冷卻過程。 25 26本曲線圖顯示了600 C模擬樣品鋼卷冷卻后的應變時效指數結果。如圖所示，氮應變時效在所有的含釩鋼中都被消除了，但是碳-錳鋼仍然大量降低了應變時效。所有這些鋼種都含有鋁，某些自由氮的減少可能就是AlN形成的結果。AlN的形成是在碳-錳鋼中減少應變時效的唯一可能性，同時VN的沉淀將提高鋼的強度。這張幻燈片演示了測試樣品在600 C模擬鋼卷冷卻之后的屈服強度變化。平均來說，碳-錳鋼顯示在模擬鋼卷冷卻階段之后沒有強度方面的變化。但是，含釩鋼卻顯示強度在不斷上升，似乎是與模擬鋼卷冷卻階段之前的應變時效指數水平成比例。這就確認了即使在出現鋁的情況下，鋼卷冷卻階段對于獲取一個特定的釩添加劑的最大強化值也