热轧薄板中钒微合金化的回顾

1、热轧薄板中钒微合金化的回顾Robert J Glodowski（美国战略矿物公司，皮茨堡市，宾夕法利亚州，美国） 1 2今天我想讲解并回顾作为热轧板微合金添加物钒的优势。对于薄钢板生产厂商来说有几种微合金元素，包括铌，钛和钒。随着新型薄板坯直接轧制轧机的出现，人们对作为薄板材微合金化元素的钒产生了新的兴趣。因为轧制工艺的限制突出了钒的某些独特优势。根据每种主要特性产生的性能和轧制工艺优点，钒在钢中的的重要冶金性能可以分为三大类。要讨论的第一类冶金性能就是钒的碳氮化合物在奥氏体中的高溶解性。第二，就是钒的低溶解牵引系数的益处，当我们在轧制板材时经常不会加以考虑，这种观点要加以审核。最后，要讨论钒

2、和氮的相互积极作用从而有效利用钢中的残氮元素。 3 4此图表显示微合金碳和氮化合物各种形式的相对溶解度。VC的溶解度很高，在奥氏体中容易溶解，只有在铁素体形成后，在冷却中沉淀。TiC, NbC以及VN有着非常相似的溶解度，这很有趣因为到目前为止它们是最重要的沉淀强化剂。碳化物和氮化物每一种形式的合金化物在溶解度方面对于Ti和V来说远远大于Nb. 由于碳在奥氏体中的溶解度很高，钢中的碳水平将控制在再加热期间奥氏体中铌的溶解量。事实上，碳的水平在再加热期间对钒的溶解性没有作用。对钛而言，氮化合物实际上在通常的加热温度下是不溶解的。铝是不会形成碳化合物的，因为它的晶粒细化特点，氮铝化合物AlN在奥氏

3、体中是很难溶解的。但是，在溶解之后的冷却过程中，AlN合成物的运动是非常缓慢的，从而使其它的氮化合物，比如VN形成，尽管它们比AlN更容易溶解。与其它微合金物相比，钢中的许多好处使得生产工艺变成了钒（碳，氮）化合物高溶解性的产物。这些好处包括裂纹最底的优异的可铸性，降低的再加热温度需求，以及在一个较大合金范围内的可预测强化。 5 6因为VC和VN的高溶解度，凝固之后，在晶界处有很少或者没有沉淀。与铌钢相比，结果，通常与微合金钢相关的延展槽的起使点就在一个较低的温度值上。这样为板坯在浇铸之后进行矫直而不产生横向裂纹提供了较大的温度范围。本图表显示了钒钢与普碳钢和其它微合金钢相比裂纹敏感度的下降情

4、况。在这种情况下，质量测量是在有一定弯曲应变的铸态板坯中测量所产生的裂纹长度。碳-锰以及碳-锰-钒钢种只有很小的裂纹，而，含铌钢却展示出重大的裂纹增长。钒的高溶解度降低了在晶界出沉淀的趋势，从而降低了这种钢种的裂纹敏感度。碳-锰-钒-氮钢种的裂纹趋势增加很有可能是AlN沉淀的结果，而并非VN的沉淀结果。对于这些含氮量高的钢种，减少铝的含量是有利的。 7 8为了使任何一种微合金在轧制状态下有效地提供强化力量，在加热阶段就必须是熔融状态。再次说明，钒（碳，氮）化合物的高溶解度是有优势的因为它降低了全熔融所需的温度和时间。这对于薄板坯直接轧制操作来说尤为正确，因为隧道式退火炉的加热能力是有限的。这张

5、曲线图显示了在再加热期间为了获取钒和铌在溶液中各种数量所需的温度。1150 C，在直接轧制操作中，隧道式退火炉里一个非常典型的最大温度值在氮含量呈200 ppm N情况下，完全能够达到0.15%的钒含量，而在一种0.10%的碳钢中溶液中的铌最大量大约为0.03%。即使当加热到1300 C附近，传统的板坯再加热温度值时，溶液中的铌含量也是有限的，尤其在高碳含量情况下。 9 10再次因为钒（碳，氮）的高溶解度，金相组织转变后钒（碳，氮）沉淀的强化作用是非常可以预期的。正如前面几张幻灯片所演示的一样，无论碳和氮在钢中的含量多少，事实上，在加热期间所有的钒都将进入溶液中。结果，倘若在屈服强度方向上画一

6、条近似的上升直线，钒舔加物含量达到0.15%时就可以用作沉淀强化。对于诸如铌这样的合金，它在通常加热温度情况下已接近溶解极限，溶液中的合金量将取决于加热温度以及碳和氮的呈现量，在不需要仔细的工艺控制情况下导致不一致的强化结果。另外，钒可以用于所有含碳级别范围内。这样的样例在以后的举例中将有说明。相对于其它微合金而言，钒具有较低的溶解牵引系数。本图表显示了钒的溶解牵引系数以及与其它元素相比较的情况。这种溶解牵引造成了奥氏体在变形过程中和之后还原以及在结晶的延迟。倘若在晶相组织转变之前有用奥氏体晶粒的“烤薄饼法”对铁素体晶粒进行细化的机会，铌的这种特性就是造成提升再结晶温度升高的因素。从而将细化某

7、些最终的铁素体晶粒。但是，铌这种延迟奥氏体再结晶的特性在需要进行再结晶时也可以是有害的。 11 12钒在奥氏体中低溶解牵引系数的益处包括可以使用再结晶控制的轧制（RCR）作为奥氏体晶粒细化的热能-机械工艺，减少在轧制期间全再结晶所需要的温度和变形量，而且因为奥氏体在机架间快速的还原和再结晶从而可以降低轧制力的要求。在轧制期间通过再结晶，RCR轧制工艺的使用提供了重复的奥氏体晶粒细化。每一个轧道都产生新的奥氏体晶粒，从前面的晶粒中，尺寸都可以细化。因为再结晶工艺本身可以提供奥氏体晶粒的细化，因此没有必要降低终轧温度到再结晶的终止温度之下。在最后轧道之后对热轧机的输出辊道使用薄片状冷却方法快速冷却

8、。将减少在相变之后奥氏体晶粒的增长。快速冷却也可以降低相变温度以确保极其细微的奥氏体晶粒尺寸。 13 14因为奥氏体再结晶是迟缓的，在轧制期间通过板坯的厚度可以很容易得到奥氏体的完全结晶，尽管变形张力可能不同。结果是从产品表面到中心奥氏体晶粒在尺寸上读更加均匀，从而导致更加均匀的机械性能。这种奥氏体再结晶的容易性在板坯轧制带钢中尤为重要，因为有时要完成已进入轧制工艺中的铸态晶粒的必要再结晶是困难的。有限的加热温度和薄板坯的最低总变形量使得很难通过厚度获得完全的再结晶。具有较高终轧温度的RCR轧制工艺的使用，与奥氏体快速再结晶和还原特性一起导致轧制力需求的减少。另外，钒（碳，氮）化合物在奥氏体中

9、的有限沉淀减少了在轧制期间的强化作用，而且引起了轧制力需求的减少。 15 16下面三幅曲线图显示了威尔士大学Clare Wynn教授在美国新奥尔良召开的2004 MS&T大会上呈现的工作成果。在这项工作中包括了对一系列含铌和含钒低碳钢所作的单位宽度轧制力的测量值。这张图表明了一系列铌含量从0.015%到0.045%水平的每个轧制道次所要求的轧制力。正如所显示的一样，铌含量的差别只有很小，但是每一个轧制道次的轧制力都增加了。这幅和下幅曲线图显示了一系列含钒钢，从0.03%到0.08%钒的相似的数据。再次，不同的含钒水平之间，其差别并不大，但是，通常每一个轧制道次都要求增加轧制力。问题是，

10、不同的合金体系之间差别是什么。 17 18本曲线图显示了前面两张图表所显示的铌和钒钢种的平均值。含钒钢的轧制力需求一直比含铌钢低，尤其在终轧道次时差别更大。为了演示这种情况，我们使用了每个道次相等的压下量和轧制温度。很明显奥氏体的快速再结晶，以及奥氏体中任何沉淀的缺乏都导致了对含钒低碳带钢轧制力大幅降低的要求。钒微合金钢的第三个冶金特性是对于氮在钒（碳，氮）沉淀物中的偏爱。正如在溶解度那一章所显示的一样，VC比VN更容易溶解导致钒沉淀所用的驱动力比氮沉淀时更强。结果，氮从一个多余的残留元素转化成合金体系中重要的部分。氮水平的管理最大限度地优化了钒添加剂的强化作用，而且用氮优先沉淀减少了氮应变时

11、效的风险。 19 20氮从多余的残留元素转变成合金体系中有用的部分提供了对所有钢种中通常都存在的残氮的有效利用。尤其是，通常情况下与电弧炉操作相关的高氮含量就不成为问题了，相反成为了一种优势。钒是唯一作为氮化沉淀物有效强化钢种的微合金元素。因为在氮元素出现的情况下，钒的更细微和更全面的沉淀，将含氮水平有效管理到与含钒水平相当将极大优化钒合金添加剂的成本效率。 21 22这些数字说明钒沉淀强化的氮含量提高在不同的碳含量中都有效。增强氮后的强化率是额外增加氮每10 ppm标准大约为7 Mpa，与含碳量无关。另外增加碳可以提高屈服强度，但是不会改变增加氮的强化贡献。本章曲线图说明了钒添加剂增加后的相

12、对强度，和被含氮量影响的情况。一旦钒添加剂超过化学计量的水平（V：1），钒的强化率将会减少。在氮元素没有后，只有碳作沉淀强化之用。VC沉淀的效果是有限的，而且可以受到工艺参数，比如，冷却率的影响。正如曲线图所演示的，用 50 ppm氮提升150 MPa的强度需要0.10%以上的钒。但是，如果有150 ppm的氮存在，要提升同样强度的150MPa，只用0.06%的钒添加剂就可以获得。 23 24因为钒对氮的偏爱，加入钒后，自由氮就减少了。结果，希望完成VN沉淀的工艺处理将既提供最有效的强化，同时又消除氮的应变时效。本曲线图显示了用一定范围的含氮量对一系列含碳和钒钢进行100 C应变时效测试的结果

13、。这些样品取自CSP轧机生产的带钢，有些样品取自钢卷冷却阶段之前。由于缺少轧制后的钢卷冷却阶段，因此在时效指数的结果中一定是分散的，尽管很明显在钒钢中有用高氮含量来降低时效指数的趋势。为了完成VN沉淀，希望要有一个很好的钢卷冷却过程，成双的样品被加热到600 C并进行缓冷以便模拟钢卷冷却过程。 25 26本曲线图显示了600 C模拟样品钢卷冷却后的应变时效指数结果。如图所示，氮应变时效在所有的含钒钢中都被消除了，但是碳-锰钢仍然大量降低了应变时效。所有这些钢种都含有铝，某些自由氮的减少可能就是AlN形成的结果。AlN的形成是在碳-锰钢中减少应变时效的唯一可能性，同时VN的沉淀将提高钢的强度。这张幻灯片演示了测试样品在600 C模拟钢卷冷却之后的屈服强度变化。平均来说，碳-锰钢显示在模拟钢卷冷却阶段之后没有强度方面的变化。但是，含钒钢却显示强度在不断上升，似乎是与模拟钢卷冷却阶段之前的应变时效指数水平成比例。这就确认了即使在出现铝的情况下，钢卷冷却阶段对于获取一个特定的钒添加剂的最大强化值也