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釩對耐火鋼顯微組織及高溫性能的影響
发布时间: 2016-04-29 來源:東北特鋼 浏覽人數:18122
 

 

  建築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塗層。爲了降低成本及加快施工進度,國內外已經開展了耐火溫度爲600℃的建築用耐火鋼研制工作,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添加量爲0.60%左右,Nb添加量爲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
  采用工業純鐵爲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,其中鋼號1爲對比鋼,2、3分別爲添加0.01%V、0.10%V+0.019%N試驗鋼。
表1 試驗鋼的化學成分
鋼號
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
N
1
≤0.15
≤0.50
≤1.50
≤0.020
≤0.020
0.50
0.32
-
0.0027
2
≤0.15
≤0.50
≤1.50
≤0.020
≤0.020
0.50
0.31
0.10
0.0026
3
≤0.15
≤0.50
≤1.50
≤0.020
≤0.020
0.50
0.31
0.10
0.0190
 
  1.2 熱軋工藝
  采用不同的工藝对厚度为35~40mm试验坯料进行热轧试验,再加热时间均为30min;为了模拟工业生产,热轧试验开轧温度大于1020℃,经四道次轧制变形后终轧温度为900℃左右,成品厚度9mm,随后空冷至室温或冷却至600℃卷取;热轧试验机为Φ400四辊轧机。具体熱軋工藝:工藝一:再加热温度1100℃,空冷;工藝二:再加热温度1200℃,空冷;工藝三:再加热温度1200℃,600℃卷取。热轧各道次压下量分配:400mm→30mm→22mm→16mm→12mm。
  1.3 試驗方法
  室溫力學性能試樣按GB2975標准取樣並加工,按GB228標准進行性能測試,試驗設備爲SANSWE-600材料試驗機;高溫性能試驗取樣、加工及測試均按GB4338標准執行,試樣爲直徑5mm圓形試樣,試驗設備爲LJ-500高溫拉伸試驗機。
  采用金相显微镜分析试验钢的金相组织。采用H-800透射电镜观察淬取复型试样析出物形貌;用PHILIPS CM30+EDS-300KV扫描电镜进行析出物薄片试样微观结构分析。
  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爲試驗鋼的顯微組織及貝氏體+馬氏體組織分數。
表2  不同工藝的试验钢顯微組織及贝氏体+马氏体组织体积分数

鋼編號
工藝
顯微組織
鐵素體晶粒尺寸,μm
B+M分數,%
1
工藝1
F+P+B
15.8
6
工藝2
F+P+B
9.8
33
工藝3
F+P+B+M
8.7
60
2
工藝1
F+P
17.6
0
工藝2
F+P
12.6
0
工藝3
F+P+B+M
7.8
50
3
工藝1
F+P+B
19.5
3
工藝2
F+P
11.2
0
工藝3
F+P+B+M
6.9
60

 
  当再加热温度为1100℃时(工藝1),对比钢与0.10%V、0.10%V+N试验钢的金相组织均以铁素体为主,对比钢与0.10%V+N试验钢存在少量的贝氏体;当再加热温度升高后(工藝2),铁素体晶粒尺寸略微减小,0.10%V试验钢和0.10%V+N试验钢的组织均为等轴铁素体+少量珠光体,即在冷却速率较低的条件下,提高再加热温度后,增氮钢不发生贝氏体转变;增大冷却速度后(工藝3),因奥氏体晶粒细化,成品铁素体晶粒尺寸进一步减小,且贝氏体组织体积分数明显提高;另外,含钒钢的铁素体数量比对比钢高。与空冷的工藝2相比,组织得到明显细化。试验结果表明,增氮钢的铁素体晶粒尺寸最小,贝氏体组织体积分数最高。
2.2 不同熱軋工藝条件下V对拉伸性能的影响
  研究不同熱軋工藝条件下V对试验钢室温性能及高温性能的影响,结果发现,试验钢的屈服强度比值(高温与室温屈服强度比)均大于0.67,满足耐火钢的要求。
  而且,提高再加热温度同时增大轧制后冷却速度能有效地提高试验钢的室温屈服强度及高温强度;对比钢添加0.10%V及0.10%V+N后,室温屈服强度及高温强度得到提高(对比钢工藝2存在贝氏体组织除外)。
  顯微組織以贝氏体为主(工藝3)时,添加0.10%V使室温和高温屈服强度提高,特别是室温屈服强度;当顯微組織以F+P为主时(工藝1和工藝2,但工藝2时贝氏体含量较高的对比钢除外),添加0.10%V同样使室温和高温屈服强度提高,其中增氮后的效果更好。
  2.3 增氮對V析出的影響
  采用化学法定量分析了试验钢V析出情况,结果见表3。根据试验结果,含钒试验钢在3种工藝条件下均存在不同程度的V析出量,提高再加热温度同时增大轧制后冷却速度,V的析出量明显增加,增氮钢具有最大的V析出量。
表3 不同試樣鋼V析出量

鋼編號
工藝
V,%
Vas ppt.,%
1
工藝1
0.10
0.007
工藝2
0.10
0.014
工藝3
0.10
0.025
2
工藝1
0.10
0.037
工藝2
0.10
0.042
工藝3
0.10
0.057

 
  通过透射电镜分析0.10%V+N增氮钢淬取复型试样形貌照片以及薄片试样微观结构照片发现,试验钢的析出物主要以圆形、方形第二相粒子为主,主要为V、Ti复合析出物及TiN粒子。提高再加热温度同时增大轧制后冷却速度能有效地提高析出物数量;工藝3对应最高的V析出量。进一步的分析结果表明,0.10%V+N试验钢工藝3条件下在贝氏体铁素体中沿位错线存在细小析出物,产生的析出强化效果与力学性能测试结果一致。
  2.4 V在耐火鋼中的析出行爲
  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,並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元素偏聚行迹相似,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℃回火後V的偏聚與Cr、Mo、V元素偏聚行迹相似,600℃回火後形成了Cr、Mo、V的複雜碳化物。
  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℃回火處理後,貝氏體中的馬氏體島分解爲回火索氏體,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爲熱軋態及600℃回火處理後析出物形貌。
 
 
圖1 熱軋態先共析鐵素體中的VN和位錯
 
 
圖2 600℃回火後的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试验钢与对比钢的金相组织均以铁素体为主。随再加热温度升高及冷却速度提高后,铁素体数量增加,组织得到明显细化。同一工藝条件下,试验钢添加钒后,铁素体数量增加。
  (2)提高再加热温度同时增大轧制后冷却速度能有效地提高试验钢的室温屈服强度及高温强度;顯微組織以贝氏体为主时,添加0.10%V使室温和高温屈服强度提高;顯微組織以F+P为主,添加0.10%V同样使室温和高温屈服强度提高,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元素偏聚行迹相似,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。
 
 
摘選自《世界金屬導報》第54卷
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