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1、2000年12月甘肃冶金第4期X谈微合金元素Nb、V、Ti在钢中的作用杨作宏陈伯春(酒泉钢铁公司甘肃嘉峪关735100)摘要论述了Nb、V、Ti在钢中的存在形态,分析了提高钢的强韧性,改善可焊性的微观机理及在钢中的重要作用。关键词可能性形态溶度积作用1引言在钢中质量分数低于011%左右,而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素,称为微合金元素;Nb、V、Ti是其中最为重要的微合金元素。在钢中添加微量的Nb、V、Ti,可保证钢在碳当量较低的情况下,通过其碳、氮化物质点(尺寸小于5nm)的弥散析出及Nb、V、Ti的固溶,细化
2、晶粒,极大地提高钢的强度、韧性,特别是低温韧性,使钢具有良好的可焊性、使用性。因此,研究Nb、V、Ti在钢中的作用机理和微观行为,对钢的品种开发,生产高质量、高附加值的产品如船板、管线钢等有重要的作用。2Nb、V、Ti在钢中作用的微观基础211形成碳化物和氮化物的可能性Nb、V、Ti是碳化物和氮化物的形成元素,这些元素在比较低的浓度下就能满足这种要求。在周期表中,它们的位置彼此靠得很近。图1指出,对于一定的金属元素,从Î组到Ë组,形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的可能性是逐渐增强的(从右上角至左下角)。形成沉淀强化所需要的碳化物或
3、氮化物,Nb、V、Ti有同等的倾向。212在钢中的存在形态Nb、V、Ti为强碳化物形成元素,常温时,在钢中大部分以碳化物、氮化图1一些金属元素形成氧化物、硫化物、碳化物物、碳氮化物形式存在,少部分固溶在和氮化物的能力和它们的沉淀强化能力铁素体中,在脱氧不完全的钢中,也会X收稿日期:200020420520出现氧化物TiO2、V2O3等。这对Nb、V、Ti是一种浪费,且氧化物对性能有害,应避免。钢加热时,其碳、氮化物随温度升高,逐渐溶解,直至全部溶解到奥氏体中;冷却时,随温度降低,溶解度减小,其碳、氮化物逐渐析出。正是这种行为,演绎出
4、Nb、V、Ti对钢性能的改善作用。213碳、氮化物的溶度积(溶解度乘积)钢加热奥氏体化时,Nb、V、Ti与奥氏体中的碳、氮亲和性不同,这种差异导致了它们的碳、氮化物有不同的溶度积,如图2所示。由图2可知:Nb的碳、氮化物溶度积曲线位置比较接近,V、Ti的碳、氮化物溶度积曲线位置相差较大;在加热温度相同情况下,溶解量从多到少的顺序是:VC、TiC、VN、NbC、NbN、TiN;VC在800℃左右开始大量固溶,TiN在1150℃以上才开始一定量的固溶。在铁素体中也有相似的规律,所不同的是其碳、氮化物在铁素体中溶解度更低。因此,冷却时Ti
5、析出温度最高,Nb次之,V最低。3Nb、V、Ti在钢中的作用311细化晶粒细化晶粒,既可提高强度,又使韧性变好,是最经济、最有效改善钢性能的方法之一。31111阻止奥氏体晶粒粗化随着加热温度的提高及保温时间的延长,奥氏体晶粒将愈趋粗大,而粗大的奥氏体对钢的加工性及细化铁素体不利。加入Nb、V、Ti可以阻止奥氏体晶粒长大,提高钢的粗化温度。这是由于它们的碳、氮化物弥散的小颗粒能对奥氏体晶界起固定作用,阻碍奥氏体晶界的迁移,亦即阻止了奥氏体晶粒长大。图3给出了碳钢与Nb、V、Ti钢奥氏体晶粒尺寸随加热温度的变化曲线,图4示出了微量元素含
6、量对奥氏体晶粒粗图2C中碳化物和氮化物的溶度积化温度的影响。图3C晶粒尺寸与加热温度的关系图4含量对C晶粒粗化温度的影响2131112细化铁素体晶粒随着轧制的进行,温度逐渐降低,Nb、V、Ti的碳、氮化物在奥氏体中的溶度积减小,加之形变诱导析出的作用,其碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变之前弥散析出(析出的质点越小越好,尺寸应小于5nm,如大于100nm,成为夹杂物,对钢的性能不利),成为铁素体的形核剂,使铁素体在较小的过冷度下大量形成,不易长大,从而细化了铁素体晶粒。随含量的变化细化晶粒的效果如图5所示,Nb的效果最为明显,Ti次之,
7、V最差。312提高奥氏体再结晶温度Nb、V、Ti及碳、氮化物在奥氏体中的溶解度较大,温度较低时,奥氏体为过饱和固溶体,此时变形会诱导过饱和奥氏体发生沉淀;这些细小的沉淀物较多的分布于变形的奥氏体晶界或亚晶附近,抑制了晶界迁移而对再结晶具有显著的延迟效果,之所以能抑制晶界迁移是由于:①Nb、V、Ti偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖拉作用;②其碳、氮化物在晶界弥散分布而引起的钉扎作用。提高奥氏体再结晶温度,可扩大未再结晶区,这对在未再结晶区控轧非常有用。313改善钢的焊接性能钢在使用过程中,经常要进行焊接,焊接接头是其薄图5含量对热轧
8、状态下晶粒大小的影响弱环节,特别是热影响区,最易在此破坏。在钢中添加微量的Nb、V、Ti,一方面,可在减少碳当量含量的同时,提高强度,从而提高钢的焊接性能;另一方面,将不纯物质如氧、氮、硫等固定起来,从而改善钢的可焊性;其次,由于其微
