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模具鋼百科
釩對(duì)耐火鋼顯微組織及高溫性能的影響
來(lái)源: | 作者:pmo181730 | 發(fā)布時(shí)間: 2019-04-04 | 4417 次瀏覽 | 分享到:
建筑用鋼要求具有良好的室溫力學(xué)性能及焊接性能。由于普通鋼在350℃時(shí)屈服強(qiáng)度迅速下降到室溫屈服強(qiáng)度的一半以下，不能滿足結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)要求，必須在其表面噴刷較厚的防火涂層。為了降低成本及加快施工進(jìn)度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼研制工作，該鋼的主要技術(shù)指標(biāo)——600℃屈服強(qiáng)度不低于室溫屈服強(qiáng)度的2/3。
　　建筑用鋼要求具有良好的室溫力學(xué)性能及焊接性能。由于普通鋼在350℃時(shí)屈服強(qiáng)度迅速下降到室溫屈服強(qiáng)度的一半以下，不能滿足結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)要求，必須在其表面噴刷較厚的防火涂層。為了降低成本及加快施工進(jìn)度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼研制工作，該鋼的主要技術(shù)指標(biāo)——600℃屈服強(qiáng)度不低于室溫屈服強(qiáng)度的2/3。
　　通常耐火鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)采用Mo-Nb合金化方案，Mo添加量為0.60%左右，Nb添加量為0.020%，但對(duì)含V耐火鋼的系統(tǒng)研究未見(jiàn)報(bào)道。本文結(jié)合資源條件開(kāi)展了含V耐火鋼研究工作，研究了V對(duì)耐火鋼組織與性能的影響以及V在鋼中的存在形式，其結(jié)果對(duì)含V耐火鋼工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)支持。
1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)材料
　　采用工業(yè)純鐵為原料經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉并澆鑄成鋼錠，然后經(jīng)鍛造成熱軋板坯試樣。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其中鋼號(hào)1為對(duì)比鋼，2、3分別為添加0.01%V、0.10%V＋0.019%N試驗(yàn)鋼。
表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分
1.2 熱軋工藝
　　采用不同的工藝對(duì)厚度為35～40mm試驗(yàn)坯料進(jìn)行熱軋?jiān)囼?yàn)，再加熱時(shí)間均為30min；為了模擬工業(yè)生產(chǎn)，熱軋?jiān)囼?yàn)開(kāi)軋溫度大于1020℃，經(jīng)四道次軋制變形后終軋溫度為900℃左右，成品厚度9mm，隨后空冷至室溫或冷卻至600℃卷?。粺彳?jiān)囼?yàn)機(jī)為Φ400四輥軋機(jī)。具體熱軋工藝：工藝一：再加熱溫度1100℃，空冷；工藝二：再加熱溫度1200℃，空冷；工藝三：再加熱溫度1200℃，600℃卷取。熱軋各道次壓下量分配：400mm→30mm→22mm→16mm→12mm。
1.3 試驗(yàn)方法
　　室溫力學(xué)性能試樣按GB2975標(biāo)準(zhǔn)取樣并加工，按GB228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為SANSWE-600材料試驗(yàn)機(jī)；高溫性能試驗(yàn)取樣、加工及測(cè)試均按GB4338標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣為直徑5mm圓形試樣，試驗(yàn)設(shè)備為L(zhǎng)J-500高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)。
　　采用金相顯微鏡分析試驗(yàn)鋼的金相組織。采用H-800透射電鏡觀察淬取復(fù)型試樣析出物形貌；用PHILIPS CM30＋EDS－300KV掃描電鏡進(jìn)行析出物薄片試樣微觀結(jié)構(gòu)分析。
　　采用電解淬取相分析的方法定量分析熱軋板中的析出釩含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 不同再加熱溫度條件下V對(duì)熱軋組織的影響
　　對(duì)含V試驗(yàn)鋼與對(duì)比鋼進(jìn)行了不同再加熱溫度的熱軋?jiān)囼?yàn)，目的是了解V含量對(duì)組織的影響。表2為試驗(yàn)鋼的顯微組織及貝氏體＋馬氏體組織分?jǐn)?shù)。
表2  不同工藝的試驗(yàn)鋼顯微組織及貝氏體＋馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)
 
　　當(dāng)再加熱溫度為1100℃時(shí)（工藝1），對(duì)比鋼與0.10%V、0.10%V＋N試驗(yàn)鋼的金相組織均以鐵素體為主，對(duì)比鋼與0.10%V＋N試驗(yàn)鋼存在少量的貝氏體；當(dāng)再加熱溫度升高后（工藝2），鐵素體晶粒尺寸略微減小，0.10%V試驗(yàn)鋼和0.10%V＋N試驗(yàn)鋼的組織均為等軸鐵素體＋少量珠光體，即在冷卻速率較低的條件下，提高再加熱溫度后，增氮鋼不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變；增大冷卻速度后（工藝3），因奧氏體晶粒細(xì)化，成品鐵素體晶粒尺寸進(jìn)一步減小，且貝氏體組織體積分?jǐn)?shù)明顯提高；另外，含釩鋼的鐵素體數(shù)量比對(duì)比鋼高。與空冷的工藝2相比，組織得到明顯細(xì)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，增氮鋼的鐵素體晶粒尺寸最小，貝氏體組織體積分?jǐn)?shù)最高。
2.2 不同熱軋工藝條件下V對(duì)拉伸性能的影響
　　研究不同熱軋工藝條件下V對(duì)試驗(yàn)鋼室溫性能及高溫性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度比值（高溫與室溫屈服強(qiáng)度比）均大于0.67，滿足耐火鋼的要求。
　　而且，提高再加熱溫度同時(shí)增大軋制后冷卻速度能有效地提高試驗(yàn)鋼的室溫屈服強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度；對(duì)比鋼添加0.10%V及0.10%V＋N后，室溫屈服強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度得到提高（對(duì)比鋼工藝2存在貝氏體組織除外）。
　　顯微組織以貝氏體為主（工藝3）時(shí)，添加0.10%V使室溫和高溫屈服強(qiáng)度提高，特別是室溫屈服強(qiáng)度；當(dāng)顯微組織以F＋P為主時(shí)（工藝1和工藝2，但工藝2時(shí)貝氏體含量較高的對(duì)比鋼除外），添加0.10%V同樣使室溫和高溫屈服強(qiáng)度提高，其中增氮后的效果更好。
2.3 增氮對(duì)V析出的影響
　　采用化學(xué)法定量分析了試驗(yàn)鋼V析出情況，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，含釩試驗(yàn)鋼在3種工藝條件下均存在不同程度的V析出量，提高再加熱溫度同時(shí)增大軋制后冷卻速度，V的析出量明顯增加，增氮鋼具有最大的V析出量。

表3 不同試樣鋼V析出量
 
　　通過(guò)透射電鏡分析0.10%V＋N增氮鋼淬取復(fù)型試樣形貌照片以及薄片試樣微觀結(jié)構(gòu)照片發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼的析出物主要以圓形、方形第二相粒子為主，主要為V、Ti復(fù)合析出物及TiN粒子。提高再加熱溫度同時(shí)增大軋制后冷卻速度能有效地提高析出物數(shù)量；工藝3對(duì)應(yīng)最高的V析出量。進(jìn)一步的分析結(jié)果表明，0.10%V＋N試驗(yàn)鋼工藝3條件下在貝氏體鐵素體中沿位錯(cuò)線存在細(xì)小析出物，產(chǎn)生的析出強(qiáng)化效果與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果一致。
2.4 V在耐火鋼中的析出行為
　　向耐火鋼中添加的V主要以固溶態(tài)或化合態(tài)存在于鋼中，其中，固溶V起強(qiáng)化鐵素體作用，并能有效地提高微觀組織中的針狀鐵素體比例；化合V主要形成VC或VN，以析出強(qiáng)化的方式提高鋼的強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼中V含量增加時(shí)，析出釩數(shù)量增加，此外，增氮可促進(jìn)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(duì)含V耐火鋼熱軋態(tài)及600℃回火試樣V的存在形態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱軋?jiān)嚇又蠽存在偏聚現(xiàn)象，與C元素偏聚行跡相似，對(duì)于尚未形成的偏聚V以相對(duì)穩(wěn)定的V、C偏聚狀態(tài)存在于耐火鋼中。600℃回火后V的偏聚與Cr、Mo、V元素偏聚行跡相似，600℃回火后形成了Cr、Mo、V的復(fù)雜碳化物。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)結(jié)果，含V耐火鋼熱軋態(tài)存在貝氏體及少量馬氏體島，在貝氏體鐵素體中還有馬氏體形成時(shí)導(dǎo)致的位錯(cuò)，NV主要出現(xiàn)在先共析鐵素體中。在600℃回火處理后，貝氏體中的馬氏體島分解為回火索氏體，馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體上出現(xiàn)大量細(xì)小的VN析出物。圖1及圖2為熱軋態(tài)及600℃回火處理后析出物形貌。


圖1 熱軋態(tài)先共析鐵素體中的VN和位錯(cuò)

圖2 600℃回火后的VN析出物
　　上述情況表明添加的V元素?zé)彳垜B(tài)被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體內(nèi)，在加熱至600℃時(shí)析出，從而起著強(qiáng)化作用，V在熱軋態(tài)被固溶在基體內(nèi)有利于耐火鋼的耐火性能。

3  結(jié)論
　?。?）含V試驗(yàn)鋼與對(duì)比鋼的金相組織均以鐵素體為主。隨再加熱溫度升高及冷卻速度提高后，鐵素體數(shù)量增加，組織得到明顯細(xì)化。同一工藝條件下，試驗(yàn)鋼添加釩后，鐵素體數(shù)量增加。
　?。?）提高再加熱溫度同時(shí)增大軋制后冷卻速度能有效地提高試驗(yàn)鋼的室溫屈服強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度；顯微組織以貝氏體為主時(shí)，添加0.10%V使室溫和高溫屈服強(qiáng)度提高；顯微組織以F＋P為主，添加0.10%V同樣使室溫和高溫屈服強(qiáng)度提高，增氮后的效果更好。
　　（3）V在耐火鋼中存在偏聚現(xiàn)象，熱軋態(tài)與C元素偏聚行跡相似，但是尚未形成VC析出相的V以相對(duì)穩(wěn)定的V、C偏聚狀態(tài)被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體內(nèi)，在加熱至600℃時(shí)析出，起著強(qiáng)化作用。