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模具鋼百（bǎi）科
釩對耐火鋼顯微組織（zhī）及高溫性能（néng）的影響
來源: | 作者:pmo181730 | 發布時間（jiān）: 2019-04-04 | 4360 次瀏覽 | 分享到:
建築用鋼要求具有良好的室溫力學性能及（jí）焊接性能。由於普通鋼在350℃時（shí）屈服強度迅（xùn）速下降到（dào）室溫（wēn）屈服強度的一半（bàn）以下，不能滿（mǎn）足結構耐火設（shè）計要求，必須（xū）在其表麵噴刷較厚（hòu）的防火塗層。為了降低成本及（jí）加快（kuài）施工進度，國內外已（yǐ）經開展了耐火（huǒ）溫度為（wéi）600℃的建築用耐火鋼研製工作，該鋼的主要技術指標——600℃屈服強度不低於室溫屈服強度的2/3。
　　建築用鋼要求具有良好的室溫力學性能及焊接性能。由於普通鋼在350℃時屈服強度（dù）迅速下降到室（shì）溫屈服強度的一半（bàn）以下，不能滿足結構耐火設計要求，必須在其表麵噴刷（shuā）較厚的防火塗層。為了降低成本及加（jiā）快施工進度，國內外已經開展了耐火溫度為600℃的建築用耐火鋼研製工作，該鋼的主要技術指標（biāo）——600℃屈服強度不低於室溫屈（qū）服強度（dù）的2/3。
　　通常耐火鋼化學成分設計采用Mo-Nb合金化方案，Mo添加量為0.60%左右（yòu），Nb添加量為（wéi）0.020%，但對含V耐火鋼的係統研究未見報道。本文結合資源條件開展（zhǎn）了含V耐火鋼研究工作，研究了V對耐火鋼組織與性能的影響以及V在鋼中的存在形式，其結果對含V耐火鋼工業應用提供（gòng）了技術（shù）支持。
1 試（shì）驗材料及試驗方（fāng）法
1.1 試驗（yàn）材料
　　采用工業純鐵為原料經真空感應爐冶煉並澆鑄成鋼錠，然後經鍛造成熱軋板坯試樣。試驗鋼的化學成分見表1，其中（zhōng）鋼號1為對比鋼，2、3分別為添加（jiā）0.01%V、0.10%V＋0.019%N試驗鋼。
表1 試（shì）驗鋼的化學成分
1.2 熱軋（zhá）工（gōng）藝
　　采用不同的工藝對厚度為35～40mm試驗坯料進行熱軋試驗（yàn），再加熱時間（jiān）均為（wéi）30min；為了模擬（nǐ）工（gōng）業生產，熱軋試驗開軋溫度大於1020℃，經四道次軋製變形後終軋（zhá）溫度（dù）為900℃左右，成品厚度9mm，隨（suí）後（hòu）空冷（lěng）至（zhì）室溫或冷卻至（zhì）600℃卷取；熱軋（zhá）試驗機為Φ400四輥軋機。具體（tǐ）熱軋工（gōng）藝：工藝一：再加熱溫（wēn）度1100℃，空冷；工藝二（èr）：再加熱溫度1200℃，空冷（lěng）；工藝三：再加熱溫度1200℃，600℃卷取。熱（rè）軋各道次壓下量分配（pèi）：400mm→30mm→22mm→16mm→12mm。
1.3 試驗方法
　　室溫力學（xué）性（xìng）能試樣按GB2975標準取樣並加工，按GB228標準進行性能測試，試驗設備為SANSWE-600材料試驗機；高溫性能（néng）試驗（yàn）取樣（yàng）、加工及測試均按GB4338標準執（zhí）行，試樣為直徑5mm圓形試樣，試驗設備為LJ-500高溫拉伸（shēn）試驗機（jī）。
　　采（cǎi）用金相顯微鏡分析試驗鋼的金相組織。采用H-800透射電鏡觀察淬（cuì）取複型試（shì）樣析出物形貌；用PHILIPS CM30＋EDS－300KV掃描（miáo）電鏡進（jìn）行析出物薄片試樣微觀結構分析。
　　采用電解淬取相分析的方法定量分（fèn）析熱軋板中的析出釩含量。

2 試驗結果與分析（xī）
2.1 不同再加熱溫度條件下V對熱軋組織的影響
　　對含V試（shì）驗鋼（gāng）與對比鋼（gāng）進行了不同再加熱溫度的熱軋（zhá）試驗，目的是了解V含量對組織的影響。表2為試驗（yàn）鋼的顯微組織及（jí）貝氏體＋馬氏體組織分數。
表2  不同工藝的試驗鋼顯微組織及貝（bèi）氏體＋馬氏體組織體積分（fèn）數
 
　　當再加熱溫度為1100℃時（工藝1），對比（bǐ）鋼與0.10%V、0.10%V＋N試驗（yàn）鋼的金相（xiàng）組織均以鐵素體為主，對比鋼與0.10%V＋N試驗鋼存（cún）在少量的貝氏體；當再加熱溫（wēn）度升（shēng）高後（工藝2），鐵素體（tǐ）晶粒尺寸略微減小（xiǎo），0.10%V試驗鋼和0.10%V＋N試（shì）驗（yàn）鋼的（de）組織均為等軸鐵素體（tǐ）＋少量珠光體，即在冷卻（què）速率較低的條件下，提高再加熱溫度後，增氮鋼不發生貝（bèi）氏體轉變；增（zēng）大冷卻（què）速度後（工藝3），因奧氏體晶粒細化，成品鐵素體（tǐ）晶粒尺寸進一（yī）步減小，且貝氏體組織（zhī）體積分數明顯提高；另外，含釩鋼的鐵素（sù）體數（shù）量比對比鋼高。與空（kōng）冷（lěng）的工藝2相比，組織得到明顯細（xì）化。試驗結果表明，增氮鋼的鐵素體晶粒（lì）尺寸（cùn）最（zuì）小，貝氏體組織體積分數（shù）最高。
2.2 不同熱軋工藝（yì）條件下V對（duì）拉伸性能的影響
　　研究不同（tóng）熱軋工藝條件下V對試驗鋼（gāng）室溫性（xìng）能及高溫性能的（de）影響，結果發現，試驗鋼的（de）屈（qū）服強度比值（zhí）（高溫與室溫屈服強度比）均大於0.67，滿足耐火（huǒ）鋼的要求。
　　而且，提高（gāo）再加熱溫度同時增大軋（zhá）製後冷卻速度（dù）能有效地提高試（shì）驗鋼的室（shì）溫（wēn）屈服強度及高溫強度；對比鋼添加0.10%V及（jí）0.10%V＋N後，室溫屈服強度及高溫強（qiáng）度得到提高（對比鋼工藝2存（cún）在貝氏體組織除外）。
　　顯微組織以貝氏體為主（工藝（yì）3）時，添（tiān）加0.10%V使室溫和（hé）高溫屈服強度提高，特別是室溫屈服（fú）強度；當顯微組織以F＋P為主時（工藝1和（hé）工藝2，但工藝2時（shí）貝氏體含量較高的對比鋼除外），添（tiān）加0.10%V同樣使室溫（wēn）和高（gāo）溫屈服強（qiáng）度提高，其中增氮（dàn）後的效果更好（hǎo）。
2.3 增氮對V析出的（de）影響
　　采用化學法定量分析了試驗鋼V析出情況（kuàng），結果見表3。根據試驗結果，含釩試驗鋼在3種工（gōng）藝（yì）條件下均存在不同程度的V析出量，提高再加熱溫度同時增大軋製後冷卻速度，V的析出量明顯增加（jiā），增氮鋼具有最大的V析（xī）出量。

表3 不同試樣鋼V析出量
 
　　通過透射電鏡分析0.10%V＋N增氮鋼淬取複（fù）型試樣形（xíng）貌照（zhào）片以及薄（báo）片試樣微觀結構照片發現，試驗鋼的析出（chū）物主要以圓形、方形第二相粒子為（wéi）主，主要為V、Ti複合（hé）析出物及TiN粒子。提高再加熱溫度（dù）同時增大軋製後（hòu）冷卻速度能（néng）有效地提高析出物（wù）數量；工藝3對應最（zuì）高的V析出量。進一步（bù）的分析結果表明，0.10%V＋N試驗鋼工藝3條件下在貝氏體鐵素（sù）體中沿位錯線存在細小析出物，產生（shēng）的析出強化效果與（yǔ）力學性能測（cè）試結（jié）果一致。
2.4 V在耐（nài）火鋼中的析出行為
　　向耐火鋼中添（tiān）加的V主要以固溶態或化合（hé）態存在於鋼中，其中，固溶V起強化（huà）鐵素體作用，並能有效地提高微觀組織（zhī）中的針狀鐵素體比例；化合V主（zhǔ）要形成VC或VN，以析出強化的方式提高鋼的強度。試驗結（jié）果表明，鋼中V含量增加時，析出釩數量增加，此外，增氮可促進熱軋板中釩的析出，特別是在加速冷卻條件下。
　　采用三維原子探針對含V耐火鋼熱軋態及600℃回火試樣V的存在形態進行了試驗研究（jiū）。試驗結果表明：熱軋試樣中V存在偏聚現象，與C元素偏聚（jù）行跡相似，對於尚未形成的偏聚V以相對穩定的V、C偏聚狀態存在（zài）於耐火（huǒ）鋼中。600℃回（huí）火後（hòu）V的偏聚與Cr、Mo、V元素偏聚行跡相（xiàng）似，600℃回火後（hòu）形成了Cr、Mo、V的複（fù）雜（zá）碳化物。
　　根據（jù）實驗室檢（jiǎn）驗結果，含（hán）V耐火鋼熱軋態存在貝氏體及少量馬氏體（tǐ）島（dǎo），在貝氏體鐵素體中還有馬氏體形成（chéng）時導致的位錯，NV主要出現在先共析鐵素體中。在600℃回火處理（lǐ）後，貝（bèi）氏體中的馬（mǎ）氏體島分解為回火索（suǒ）氏體，馬氏體、貝氏體、鐵素（sù）體的基體上出現大量細（xì）小的VN析（xī）出物。圖1及圖（tú）2為熱軋（zhá）態及600℃回火處理（lǐ）後析（xī）出物形貌。


圖1 熱軋態先共析（xī）鐵素體中的VN和位錯

圖2 600℃回火後的VN析出物
　　上述情況表明添加的V元素（sù）熱軋態（tài）被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的（de）基體內，在（zài）加熱至600℃時析出（chū），從（cóng）而起著強化（huà）作用，V在熱軋態被固溶在基體內有利於耐火鋼的耐火性能。

3  結論
　　（1）含V試驗鋼與對比鋼的金相組織均以（yǐ）鐵素體（tǐ）為（wéi）主。隨再加熱溫度升高及冷卻（què）速（sù）度提高後（hòu），鐵素（sù）體數量增加，組織得到明顯細化。同一工藝條件下，試驗鋼添（tiān）加釩後，鐵素（sù）體數（shù）量增加。
　　（2）提（tí）高再加熱溫度同時增大軋（zhá）製後冷卻速度（dù）能有效地提（tí）高試驗鋼的室溫屈服強度及高溫強度；顯微組織以貝（bèi）氏體為主時，添加0.10%V使室溫和高溫屈服強度提高；顯微組織以F＋P為主，添加0.10%V同樣使（shǐ）室溫和高溫屈服強度（dù）提高，增（zēng）氮後的效（xiào）果更好。
　　（3）V在耐火鋼中存在偏聚現象，熱軋態與C元素偏聚行跡（jì）相（xiàng）似，但是（shì）尚未形成VC析出相的V以相對穩定的V、C偏聚狀態被（bèi）“隱藏”在馬氏體、貝（bèi）氏體（tǐ）、鐵素體的基體內，在加熱至（zhì）600℃時析出，起著強化作用（yòng）。
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