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模具鋼百科
釩對耐火鋼顯微組織及高溫性能的影響
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作者:pmo181730
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發布時間: 2019-04-04
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建筑用鋼要求具有良好的室溫力學性能及焊接性能。由于普通鋼在350℃時屈服強度迅速下降到室溫屈服強度的一半以下，不能滿足結構耐火設計要求，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度，國內外已經開展了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼研制工作，該鋼的主要技術指標——600℃屈服強度不低于室溫屈服強度的2/3。
建筑用鋼要求具有良好的室溫力學性能及焊接性能。由于普通鋼在350℃時屈服強度迅速下降到室溫屈服強度的一半以下，不能滿足結構耐火設計要求，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度，國內外已經開展了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼研制工作，該鋼的主要技術指標——600℃屈服強度不低于室溫屈服強度的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，Nb添加量為0.020%，但對含V耐火鋼的系統研究未見報道。本文結合資源條件開展了含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了技術支持。
1 試驗材料及試驗方法
1.1 試驗材料
采用工業純鐵為原料經真空感應爐冶煉并澆鑄成鋼錠，然后經鍛造成熱軋板坯試樣。試驗鋼的化學成分見表1，其中鋼號1為對比鋼，2、3分別為添加0.01%V、0.10%V＋0.019%N試驗鋼。
表3 不同試樣鋼V析出量
圖1 熱軋態先共析鐵素體中的VN和位錯
圖2 600℃回火后的VN析出物
表1 試驗鋼的化學成分
1.2 熱軋工藝
采用不同的工藝對厚度為35～40mm試驗坯料進行熱軋試驗，再加熱時間均為30min；為了模擬工業生產，熱軋試驗開軋溫度大于1020℃，經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℃卷取；熱軋試驗機為Φ400四輥軋機。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 試驗方法
室溫力學性能試樣按GB2975標準取樣并加工，按GB228標準進行性能測試，試驗設備為SANSWE-600材料試驗機；高溫性能試驗取樣、加工及測試均按GB4338標準執行，試樣為直徑5mm圓形試樣，試驗設備為LJ-500高溫拉伸試驗機。
采用金相顯微鏡分析試驗鋼的金相組織。采用H-800透射電鏡觀察淬取復型試樣析出物形貌；用PHILIPS CM30＋EDS－300KV掃描電鏡進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析熱軋板中的析出釩含量。
2 試驗結果與分析
2.1 不同再加熱溫度條件下V對熱軋組織的影響
對含V試驗鋼與對比鋼進行了不同再加熱溫度的熱軋試驗，目的是了解V含量對組織的影響。表2為試驗鋼的顯微組織及貝氏體＋馬氏體組織分數。
表2 不同工藝的試驗鋼顯微組織及貝氏體＋馬氏體組織體積分數
當再加熱溫度為1100℃時（工藝1），對比鋼與0.10%V、0.10%V＋N試驗鋼的金相組織均以鐵素體為主，對比鋼與0.10%V＋N試驗鋼存在少量的貝氏體；當再加熱溫度升高后（工藝2），鐵素體晶粒尺寸略微減小，0.10%V試驗鋼和0.10%V＋N試驗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，增氮鋼不發生貝氏體轉變；增大冷卻速度后（工藝3），因奧氏體晶粒細化，成品鐵素體晶粒尺寸進一步減小，且貝氏體組織體積分數明顯提高；另外，含釩鋼的鐵素體數量比對比鋼高。與空冷的工藝2相比，組織得到明顯細化。試驗結果表明，增氮鋼的鐵素體晶粒尺寸最小，貝氏體組織體積分數最高。
2.2 不同熱軋工藝條件下V對拉伸性能的影響
研究不同熱軋工藝條件下V對試驗鋼室溫性能及高溫性能的影響，結果發現，試驗鋼的屈服強度比值（高溫與室溫屈服強度比）均大于0.67，滿足耐火鋼的要求。
而且，提高再加熱溫度同時增大軋制后冷卻速度能有效地提高試驗鋼的室溫屈服強度及高溫強度；對比鋼添加0.10%V及0.10%V＋N后，室溫屈服強度及高溫強度得到提高（對比鋼工藝2存在貝氏體組織除外）。
顯微組織以貝氏體為主（工藝3）時，添加0.10%V使室溫和高溫屈服強度提高，特別是室溫屈服強度；當顯微組織以F＋P為主時（工藝1和工藝2，但工藝2時貝氏體含量較高的對比鋼除外），添加0.10%V同樣使室溫和高溫屈服強度提高，其中增氮后的效果更好。
2.3 增氮對V析出的影響
采用化學法定量分析了試驗鋼V析出情況，結果見表3。根據試驗結果，含釩試驗鋼在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
通過透射電鏡分析0.10%V＋N增氮鋼淬取復型試樣形貌照片以及薄片試樣微觀結構照片發現，試驗鋼的析出物主要以圓形、方形第二相粒子為主，主要為V、Ti復合析出物及TiN粒子。提高再加熱溫度同時增大軋制后冷卻速度能有效地提高析出物數量；工藝3對應最高的V析出量。進一步的分析結果表明，0.10%V＋N試驗鋼工藝3條件下在貝氏體鐵素體中沿位錯線存在細小析出物，產生的析出強化效果與力學性能測試結果一致。
2.4 V在耐火鋼中的析出行為
向耐火鋼中添加的V主要以固溶態或化合態存在于鋼中，其中，固溶V起強化鐵素體作用，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，以析出強化的方式提高鋼的強度。試驗結果表明，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。試驗結果表明：熱軋試樣中V存在偏聚現象，與C元素偏聚行跡相似，對于尚未形成的偏聚V以相對穩定的V、C偏聚狀態存在于耐火鋼中。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的復雜碳化物。
根據實驗室檢驗結果，含V耐火鋼熱軋態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導致的位錯，NV主要出現在先共析鐵素體中。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大量細小的VN析出物。圖1及圖2為熱軋態及600℃回火處理后析出物形貌。
圖1 熱軋態先共析鐵素體中的VN和位錯
圖2 600℃回火后的VN析出物
上述情況表明添加的V元素熱軋態被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體內，在加熱至600℃時析出，從而起著強化作用，V在熱軋態被固溶在基體內有利于耐火鋼的耐火性能。
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，鐵素體數量增加，組織得到明顯細化。同一工藝條件下，試驗鋼添加釩后，鐵素體數量增加。
?。?）提高再加熱溫度同時增大軋制后冷卻速度能有效地提高試驗鋼的室溫屈服強度及高溫強度；顯微組織以貝氏體為主時，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同樣使室溫和高溫屈服強度提高，增氮后的效果更好。
（3）V在耐火鋼中存在偏聚現象，熱軋態與C元素偏聚行跡相似，但是尚未形成VC析出相的V以相對穩定的V、C偏聚狀態被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體內，在加熱至600℃時析出，起著強化作用。
3 結論
（1）含V試驗鋼與對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，鐵素體數量增加，組織得到明顯細化。同一工藝條件下，試驗鋼添加釩后，鐵素體數量增加。
?。?）提高再加熱溫度同時增大軋制后冷卻速度能有效地提高試驗鋼的室溫屈服強度及高溫強度；顯微組織以貝氏體為主時，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同樣使室溫和高溫屈服強度提高，增氮后的效果更好。
（3）V在耐火鋼中存在偏聚現象，熱軋態與C元素偏聚行跡相似，但是尚未形成VC析出相的V以相對穩定的V、C偏聚狀態被“隱藏”在馬氏體、貝氏體、鐵素體的基體內，在加熱至600℃時析出，起著強化作用。
