高氮釩合金在鋼中的應(yīng)用

高氮釩合金在鋼中的應(yīng)用

1開(kāi)發(fā)生態(tài)型級(jí)鋼筋在中國(guó)的木材消費(fèi)中，約有25%的木材是用于建筑材料。據(jù)預(yù)測(cè),到2000年建筑用鋼材將占鋼材總需求量的36.9%。目前我國(guó)年消費(fèi)建筑用鋼筋約1400萬(wàn)t,其中95%為20MnSiⅡ級(jí)鋼筋。因此如何提高20MnSi鋼的性能,是搞好建筑用鋼的關(guān)鍵。20MnSiⅡ級(jí)鋼筋的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度偏低,僅為335MPa,因而在建筑工程中鋼材消費(fèi)量較大。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等的建筑用鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已淘汰了Ⅱ級(jí)鋼筋這一等級(jí),均采用Ⅲ級(jí)以上的建筑鋼筋。若將強(qiáng)度低的Ⅱ級(jí)鋼筋改為強(qiáng)度較高的Ⅲ級(jí)鋼筋用于建筑,則可節(jié)約鋼材約14%,具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為盡快與國(guó)際接軌并節(jié)約鋼材,我國(guó)正在加速建筑用鋼的更新?lián)Q代,大力推廣應(yīng)用400MPa級(jí)的Ⅲ級(jí)鋼筋。Ⅲ級(jí)鋼筋鋼是在20MnSi鋼的基礎(chǔ)上添加0.10%左右的釩,利用釩的碳氮化物的析出強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度,滿足Ⅲ級(jí)鋼筋的性能要求。但由于釩的加入使鋼筋的成本有所提高,為進(jìn)一步降低Ⅲ級(jí)鋼筋成本,開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型建筑用Ⅲ級(jí)鋼筋是當(dāng)務(wù)之急。本研究試圖充分利用廉價(jià)氮元素,減少釩的加入量,提高經(jīng)濟(jì)效益,研究了在20鋼中添加含有較高氮的Nitrovan12釩合金對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響。2試驗(yàn)鋼和試驗(yàn)用釩試驗(yàn)用鋼采用100kg中頻感應(yīng)爐冶煉,每爐澆注50kg鋼錠2支。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。將鋼錠鍛成40mm×40mm×L(mm)試樣,再加熱至1200℃后軋成O20mm棒材,終軋溫度1050℃。試驗(yàn)鋼分為兩組,分別采用80%FeV和Nitrovan12二種釩合金向鋼中添加釩。11、12號(hào)試驗(yàn)鋼采用80%FeV合金化(簡(jiǎn)稱V鋼),21～24號(hào)試驗(yàn)鋼采用Nitrovan12合金化(簡(jiǎn)稱VN鋼),在加釩的同時(shí)增加了鋼中氮含量。Nitrovan12是美國(guó)的專利產(chǎn)品,其氮含量較高(占12%)。本試驗(yàn)采用的Nitrovan12合金的成分見(jiàn)表2。觀察金相組織并采用IAS-4圖象分析儀測(cè)定試驗(yàn)鋼鐵素體平均晶粒尺寸,采用相分析的方法,萃取分析鋼中析出物的數(shù)量。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1試驗(yàn)結(jié)果及效果圖1為20MnSi鋼中添加富氮的Nitrovan12合金的增氮效果。當(dāng)鋼中的釩含量由0.041%增加到0.12%,氮含量從100×10-6增加到180×10-6,增氮效果非常顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明,利用Nitrovan12合金,鋼中每增加0.01%的釩,就可帶入約10×10-6的氮。這與美國(guó)釩公司的研究結(jié)果相一致。3.2vn鋼與nitroren12在不同比例下的屈服強(qiáng)度在20MnSi鋼的基礎(chǔ)上,分別添加80%FeV和高氮的Nitrovan12合金,使鋼中的釩含量基本相同研究了其強(qiáng)度的變化結(jié)果示于圖從圖2中可以看出,在釩含量相同的條件下,VN鋼的強(qiáng)度比V鋼顯著提高。添加80%FeV的V鋼(V0.11%,N85×10-6)屈服強(qiáng)度為442.5MPa,抗拉強(qiáng)度為587.5MPa,伸長(zhǎng)率為32.5%。而添加Nitrovan12的VN鋼(V0.12%,N180×10-6)屈服強(qiáng)度達(dá)560MPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)722.5MPa,伸長(zhǎng)率為26.5%。與V鋼相比,VN鋼中增加約100×10-6氮,其屈服強(qiáng)度提高117.5MPa,抗拉強(qiáng)度提高135MPa?？梢?jiàn),添加高氮的Nitrovan12對(duì)20MnSi鋼的強(qiáng)化效果是非常顯著的。3.3釩含量對(duì)vn鋼力學(xué)性能的影響圖2的結(jié)果已表明,20MnSi鋼中增氮可顯著提高鋼的強(qiáng)度。為降低成本,節(jié)省釩的添加量,研究了減少Nitrovan12的加入量對(duì)20MnSi鋼性能的影響,結(jié)果示于圖3。隨釩含量減少,VN鋼的屈服強(qiáng)度下降。圖3顯示,釩含量從0.12%降到0.041%,屈服強(qiáng)度由560MPa降到475MPa。與添加80%FeV的V鋼相比,在保持相同強(qiáng)度水平下,VN鋼中需添加的釩含量明顯減少。圖中的結(jié)果顯示,0.06%V的VN鋼的強(qiáng)度要高于0.09%V的V鋼的強(qiáng)度水平。據(jù)此計(jì)算,釩的節(jié)約量超過(guò)33%,釩的節(jié)約效果非常明顯?？梢?jiàn),利用Nitrovan12在20MnSi鋼基礎(chǔ)上生產(chǎn)Ⅲ級(jí)鋼筋具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。3.4平均鐵素體晶粒尺寸試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖4所示。軋制狀態(tài)下試驗(yàn)鋼得到鐵素體加珠光體的組織。鋼的鐵素體晶粒尺寸均比較細(xì)小。表3給出了各試驗(yàn)鋼的平均鐵素體晶粒尺寸測(cè)量結(jié)果。由表3可看出,添加80%FeV的V鋼的鐵素體平均晶粒尺寸稍大,為7.16μm;而添加Nitrovan12的VN鋼晶粒尺寸在5.80～6.82μm之間。可見(jiàn),添加含N的Nitrovan12的VN鋼,鐵素體晶粒有細(xì)化的傾向。3.5釩與vn鋼的出出量對(duì)比圖5比較了VN鋼和V鋼中析出相的分析結(jié)果。由圖5可見(jiàn),VN鋼中V(C,N)析出相數(shù)量明顯高于V鋼,前者是后者的2倍。說(shuō)明鋼中增氮大大促進(jìn)了釩的析出,從而增加了釩的析出強(qiáng)化作用。這是VN鋼強(qiáng)度增加的主要原因。4研究新型釩對(duì)vn鋼性能的影響(1)在20MnSi鋼中通過(guò)加高氮的Nitrovan12合金,在進(jìn)行釩微合金化的同時(shí)使鋼增氮,可顯著提高鋼的強(qiáng)度。在本實(shí)驗(yàn)條件下,利用12,含0.12%V的鋼可增加約100×10-6的氮。與相同釩含量的釩鋼相比,VN鋼的抗張強(qiáng)度提高135MPa,屈服強(qiáng)度提高117.5MPa。(2)在相同強(qiáng)度水平下,通過(guò)添加高氮的Nitrovan12合金,充分利用廉價(jià)氮元素的作用,可節(jié)約合金元素釩大于33