高氮钒合金在钢中的应用

高氮钒合金在钢中的应用

1开发生态型级钢筋在中国的木材消费中，约有25%的木材是用于建筑材料。据预测,到2000年建筑用钢材将占钢材总需求量的36.9%。目前我国年消费建筑用钢筋约1400万t,其中95%为20MnSiⅡ级钢筋。因此如何提高20MnSi钢的性能,是搞好建筑用钢的关键。20MnSiⅡ级钢筋的主要缺点是强度偏低,仅为335MPa,因而在建筑工程中钢材消费量较大。工业发达国家,如美国、英国、德国等的建筑用钢国家标准中已淘汰了Ⅱ级钢筋这一等级,均采用Ⅲ级以上的建筑钢筋。若将强度低的Ⅱ级钢筋改为强度较高的Ⅲ级钢筋用于建筑,则可节约钢材约14%,具有巨大的社会效益和经济效益。为尽快与国际接轨并节约钢材,我国正在加速建筑用钢的更新换代,大力推广应用400MPa级的Ⅲ级钢筋。Ⅲ级钢筋钢是在20MnSi钢的基础上添加0.10%左右的钒,利用钒的碳氮化物的析出强化作用提高钢的强度,满足Ⅲ级钢筋的性能要求。但由于钒的加入使钢筋的成本有所提高,为进一步降低Ⅲ级钢筋成本,开发经济型建筑用Ⅲ级钢筋是当务之急。本研究试图充分利用廉价氮元素,减少钒的加入量,提高经济效益,研究了在20钢中添加含有较高氮的Nitrovan12钒合金对钢的力学性能的影响。2试验钢和试验用钒试验用钢采用100kg中频感应炉冶炼,每炉浇注50kg钢锭2支。试验用钢的化学成分见表1。将钢锭锻成40mm×40mm×L(mm)试样,再加热至1200℃后轧成O20mm棒材,终轧温度1050℃。试验钢分为两组,分别采用80%FeV和Nitrovan12二种钒合金向钢中添加钒。11、12号试验钢采用80%FeV合金化(简称V钢),21～24号试验钢采用Nitrovan12合金化(简称VN钢),在加钒的同时增加了钢中氮含量。Nitrovan12是美国的专利产品,其氮含量较高(占12%)。本试验采用的Nitrovan12合金的成分见表2。观察金相组织并采用IAS-4图象分析仪测定试验钢铁素体平均晶粒尺寸,采用相分析的方法,萃取分析钢中析出物的数量。3试验结果与讨论3.1试验结果及效果图1为20MnSi钢中添加富氮的Nitrovan12合金的增氮效果。当钢中的钒含量由0.041%增加到0.12%,氮含量从100×10-6增加到180×10-6,增氮效果非常显著。试验结果表明,利用Nitrovan12合金,钢中每增加0.01%的钒,就可带入约10×10-6的氮。这与美国钒公司的研究结果相一致。3.2vn钢与nitroren12在不同比例下的屈服强度在20MnSi钢的基础上,分别添加80%FeV和高氮的Nitrovan12合金,使钢中的钒含量基本相同研究了其强度的变化结果示于图从图2中可以看出,在钒含量相同的条件下,VN钢的强度比V钢显著提高。添加80%FeV的V钢(V0.11%,N85×10-6)屈服强度为442.5MPa,抗拉强度为587.5MPa,伸长率为32.5%。而添加Nitrovan12的VN钢(V0.12%,N180×10-6)屈服强度达560MPa,抗拉强度达722.5MPa,伸长率为26.5%。与V钢相比,VN钢中增加约100×10-6氮,其屈服强度提高117.5MPa,抗拉强度提高135MPa。可见,添加高氮的Nitrovan12对20MnSi钢的强化效果是非常显著的。3.3钒含量对vn钢力学性能的影响图2的结果已表明,20MnSi钢中增氮可显著提高钢的强度。为降低成本,节省钒的添加量,研究了减少Nitrovan12的加入量对20MnSi钢性能的影响,结果示于图3。随钒含量减少,VN钢的屈服强度下降。图3显示,钒含量从0.12%降到0.041%,屈服强度由560MPa降到475MPa。与添加80%FeV的V钢相比,在保持相同强度水平下,VN钢中需添加的钒含量明显减少。图中的结果显示,0.06%V的VN钢的强度要高于0.09%V的V钢的强度水平。据此计算,钒的节约量超过33%,钒的节约效果非常明显。可见,利用Nitrovan12在20MnSi钢基础上生产Ⅲ级钢筋具有十分显著的经济效益。3.4平均铁素体晶粒尺寸试验钢的显微组织如图4所示。轧制状态下试验钢得到铁素体加珠光体的组织。钢的铁素体晶粒尺寸均比较细小。表3给出了各试验钢的平均铁素体晶粒尺寸测量结果。由表3可看出,添加80%FeV的V钢的铁素体平均晶粒尺寸稍大,为7.16μm;而添加Nitrovan12的VN钢晶粒尺寸在5.80～6.82μm之间。可见,添加含N的Nitrovan12的VN钢,铁素体晶粒有细化的倾向。3.5钒与vn钢的出出量对比图5比较了VN钢和V钢中析出相的分析结果。由图5可见,VN钢中V(C,N)析出相数量明显高于V钢,前者是后者的2倍。说明钢中增氮大大促进了钒的析出,从而增加了钒的析出强化作用。这是VN钢强度增加的主要原因。4研究新型钒对vn钢性能的影响(1)在20MnSi钢中通过加高氮的Nitrovan12合金,在进行钒微合金化的同时使钢增氮,可显著提高钢的强度。在本实验条件下,利用12,含0.12%V的钢可增加约100×10-6的氮。与相同钒含量的钒钢相比,VN钢的抗张强度提高135MPa,屈服强度提高117.5MPa。(2)在相同强度水平下,通过添加高氮的Nitrovan12合金,充分利用廉价氮元素的作用,可节约合金元素钒大于33