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摘要:通過控制軋制、控制冷卻實驗，研究了［V］≈0．1%時，不同氮含量對熱軋卷板拉伸性能、低溫沖擊性能的影響。結果表明，隨著氮含量的增加，熱軋板拉伸強度的增加有逐漸放緩的趨勢，且較高的氮含量會嚴重降低熱軋卷板的－40℃低溫沖擊韌性。在生產［V］%≈0．1%的釩氮鋼熱軋卷板時，控制N含量約為150ppm時，可使鋼具有最優的綜合性能。

關鍵詞:釩微合金化;氮含量;熱軋卷板;拉伸強度;沖擊韌性

引言

釩微合金化鋼的理論研究指出，釩微合金化鋼種增氮后，由于氮對釩析出動力學的影響，優化了釩的析出狀態，增強了釩的析出強化效應和由此帶來的細晶強化效應，從而改善鋼的性能。0．1%的V含量是釩氮微合金化熱軋卷板的常規添加量。增加釩氮微合金鋼中的氮含量，可有效改善鋼的性能。研究氮的最佳添加量對于開發含釩高強度熱軋卷板具有重要的意義。本文控制鋼中V含量約為0．1%，分別在常壓下添加不同量的氮化釩鐵，在同一軋制工藝下粗軋、精軋、控制冷卻，并在580℃左右模擬卷取，研究不同的N含量對鋼材力學性能和V(C、N)析出的影響。

1試驗條件和方法

首先將釩氮鋼鑄錠放入高溫箱式電阻爐加熱，出爐后進行高壓水除鱗，然后進行開坯軋制。開坯后，采用Φ750mm×550mm二輥可逆試驗軋機進行精軋。加熱溫度設定為1150℃，終軋溫度設定為870℃，通過控制8組層流冷卻集管的水流量，在580℃左右進行模擬卷取，待19h后溫降至190℃時取出空冷至室溫。各試驗鋼的化學成分及控軋溫度如表1所示。拉伸試驗在Zwick100kN拉伸試驗機上進行，勻速拉伸速率為2mm/min。拉伸試樣采用平行段寬度12．5mm的標準試樣，標距50mm，過渡弧R=20mm，夾持端寬度20mm。試驗執行GB/T228．1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》。沖擊實驗采用深圳萬測公司的PIT452G－4擺錘沖擊試驗機。根據GB/T229－1994《金屬材料夏比缺口沖擊試驗方法》，試樣采用標準V型缺口，沖擊速度3m/s，試驗溫度25℃。

2試驗結果及分析

2．1氮含量對釩氮鋼力學性能的影響通過統計［V］%≈0．1%時不同氮含量釩氮鋼的拉伸試驗數據，并對數據進行曲線擬合，得到的N合量與拉伸性能的關系曲線如圖1所示。由圖1可以看出:隨著N含量的增加，拉伸強度和屈服強度都呈上升趨勢，延伸率卻呈緩慢下降的趨勢。擬合的曲線中，N含量同拉伸強度、屈服強度、延伸率存在如下的關系。Rm:Y=545．37+0．02737X+0．00362X2－5．13464×10－6X3Rel:Y=457．1－0．19119X+0．00491X2－6．72173×10－6X3A:Y=23．8+0．033X－8．4×10－5X2式中，X———N含量，ppm;Rm———抗拉強度，MPa;Rel———屈服強度，MPa;A———延伸率，%。從曲線變化趨勢和坐標拐點可以看出:(1)隨著N含量的增加，抗拉強度也迅速增加，當增氮超過約274ppm后，強度增加開始放緩;(2)隨著N含量的增加，延伸率開始沒有明顯的變化趨勢，當N含量超過245ppm后，延伸率開始緩慢降低。氮化釩的釩、氮原子質量比為3．64∶1，多人的研究結果［1］指出，當釩氮比接近原子質量比時，可獲得較佳的拉伸性能。這可解釋為:釩微合金鋼增氮后，通過氮對釩析出動力學的影響，優化釩的析出狀態，增加了釩的析出強化效應，以及由此帶來的細晶強化效應等作用，從而改善鋼的性能。因此，在釩氮比高于原子質量比時，增加氮含量會有效地提高釩氮鋼的強韌性;但隨著氮含量的進一步增加，抗拉強度和屈服強度的增加趨勢開始放緩，延伸率也開始下降。這可以理解為:當釩氮比接近甚至低于最佳質量比時，添加的過多的氮不會在鐵素體相變時與釩結合彌散析出帶來細晶強化效果，而會以固溶的形式殘留于基體中，這種強化效果不僅低于彌散強化與細晶強化結合的強化方式，還會降低材料的塑性，故導致了延伸率的降低［1］。而過量的增氮，則會在鋼液中形成部分游離氮，致使內部微氣泡更加惡化材料的力學性能。擬合曲線性能拐點的氮含量與275ppm的理論最佳釩氮比接近，這也驗證了以上的分析［2］。在利用SEM對釩氮鋼進行微觀組織分析時發現，釩的碳氮化物會附著于硫化錳夾雜物形核，使形核點附近形成一定的貧碳區，可以有效地促進晶內鐵素體形核，如圖2所示。這也是釩氮鋼增加氮含量可促進鐵素體晶內形核，從而有效細化晶粒的原因所在［3］。

2．2氮含量對－40℃沖擊韌性的影響通過對［V］%≈0．1%時不同氮含量的釩氮鋼做－40℃低溫沖擊試驗，得到的氮合量同沖擊韌性間的關系如圖3所示。由圖可以看出:(1)氮含量較低(100～150ppm，具有最佳釩氮比)時，釩氮鋼具有較高的低溫沖擊性能;(2)氮含量較高(＞275ppm，低于最佳釩氮比)時，釩氮鋼的低溫沖擊韌性較差;(3)氮含量＜100ppm甚至不加氮(釩氮比6．6～10)時，釩氮鋼沖擊韌性低于少量氮含量鋼的沖擊韌性。分析曲線可知，釩微合金鋼釩含量0．1%時，隨著氮含量從150ppm增加到275ppm，即釩氮比從6．66減小到3．64，沖擊韌性有一明顯的持續下降，即隨著氮含量的增加，釩氮鋼的沖擊韌性開始惡化。這種效果類似于過度增氮對拉伸強度的影響，過多氮含量的添加，同樣會降低材料的低溫韌性［4，5］。

3結論

通過控軋控冷實驗，研究了釩氮鋼［V］≈0．1%時，不同氮含量對熱軋卷板拉伸性能、低溫沖擊性能的影響，得出以下結論:(1)隨著N含量的增加，拉伸強度迅速增加，當增氮超過約274ppm后，強度增加開始變緩;隨著N含量的增加，延伸率開始沒有明顯的變化趨勢，當N含量超過245ppm后，延伸率開始緩慢降低。(2)氮含量較低(100～150ppm)時，釩氮鋼具有較高的低溫沖擊性能;氮含量較高(氮含量接近或超過275ppm)時，釩氮鋼的低溫沖擊韌性較差;微量甚至不加氮(100ppm)時，沖擊韌性低于少量增加氮含量(100～150ppm，釩氮比為6．6～10)的釩氮鋼。(3)綜合不同氮含量對拉伸性能和低溫沖擊性能的影響可以得出，生產［V］%≈0．1%的釩氮鋼熱軋卷板時，當N含量約150ppm時，可獲得最優的綜合性能。

參考文獻

［1］黃開文．X80和X100鋼級管線鋼的合金化原理和生產要點［J］．軋鋼，2004，21(6):55～58．

［2］東濤，付俊巖．試論我國鋼的微合金化發展方向［J］．中國冶金，2002，(5):16～19．

［3］羅海文，董瀚．高級別管線鋼X80～X120的研發與應用［J］．中國冶金，2006，16(4):9～15．

［4］翁宇慶．超細晶鋼—鋼的組織細化理論與控制技術［M］．北京:冶金工業出版社，2003．

［5］楊才福，張永權，祖榮祥．釩氮微合金鋼的開發與應用［A］．北京:鋼鐵研究總院，2002．

作者：陳文 董廷亮 單位：河鋼集團鋼研總院