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钒对耐火钢显微组织及高温性能的影响
发布时间: 2016-04-29 来源:东北茗彩 浏览人数:5208
 

 

  建筑用钢要求具有良好的室温力学性能及焊接性能。由于普通钢在350℃时屈服强度迅速下降到室温屈服强度的一半以下,不能满足结构耐火设计要求,必须在其表面喷刷较厚的防火涂层。为了降低成本及加快施工进度,国内外已经开展了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢研制工作,该钢的主要技术指标——600℃屈服强度不低于室温屈服强度的2/3。
  通常耐火钢化学成分设计采用Mo-Nb合金化方案,Mo添加量为0.60%左右,Nb添加量为0.020%,但对含V耐火钢的系统研究未见报道。本文结合资源条件开展了含V耐火钢研究工作,研究了V对耐火钢组织与性能的影响以及V在钢中的存在形式,其结果对含V耐火钢工业应用提供了技术支持。
  1 试验材料及试验方法
  1.1 试验材料
  采用工业纯铁为原料经真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭,然后经锻造成热轧板坯试样。试验钢的化学成分见表1,其中钢号1为对比钢,2、3分别为添加0.01%V、0.10%V+0.019%N试验钢。
表1 试验钢的化学成分
钢号
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 热轧工艺
  采用不同的工艺对厚度为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。具体热轧工艺:工艺一:再加热温度1100℃,空冷;工艺二:再加热温度1200℃,空冷;工艺三: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 试验方法
  室温力学性能试样按GB2975标准取样并加工,按GB228标准进行性能测试,试验设备为SANSWE-600材料试验机;高温性能试验取样、加工及测试均按GB4338标准执行,试样为直径5mm圆形试样,试验设备为LJ-500高温拉伸试验机。
  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。
  采用电解淬取相分析的方法定量分析热轧板中的析出钒含量。
  2 试验结果与分析
  2.1 不同再加热温度条件下V对热轧组织的影响
  对含V试验钢与对比钢进行了不同再加热温度的热轧试验,目的是了解V含量对组织的影响。表2为试验钢的显微组织及贝氏体+马氏体组织分数。
表2  不同工艺的试验钢显微组织及贝氏体+马氏体组织体积分数

钢编号
工艺
显微组织
铁素体晶粒尺寸,μm
B+M分数,%
1
工艺1
F+P+B
15.8
6
工艺2
F+P+B
9.8
33
工艺3
F+P+B+M
8.7
60
2
工艺1
F+P
17.6
0
工艺2
F+P
12.6
0
工艺3
F+P+B+M
7.8
50
3
工艺1
F+P+B
19.5
3
工艺2
F+P
11.2
0
工艺3
F+P+B+M
6.9
60

 
  当再加热温度为1100℃时(工艺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(工艺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(工艺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。与空冷的工艺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 不同热轧工艺条件下V对拉伸性能的影响
  研究不同热轧工艺条件下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(对比钢工艺2存在贝氏体组织除外)。
  显微组织以贝氏体为主(工艺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;当显微组织以F+P为主时(工艺1和工艺2,但工艺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 增氮对V析出的影响
  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种工艺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 不同试样钢V析出量

钢编号
工艺
V,%
Vas ppt.,%
1
工艺1
0.10
0.007
工艺2
0.10
0.014
工艺3
0.10
0.025
2
工艺1
0.10
0.037
工艺2
0.10
0.042
工艺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;工艺3对应最高的V析出量。进一步的分析结果表明,0.10%V+N试验钢工艺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在耐火钢中的析出行为
  向耐火钢中添加的V主要以固溶态或化合态存在于钢中,其中,固溶V起强化铁素体作用,并能有效地提高微观组织中的针状铁素体比例;化合V主要形成VC或VN,以析出强化的方式提高钢的强度。试验结果表明,钢中V含量增加时,析出钒数量增加,此外,增氮可促进热轧板中钒的析出,特别是在加速冷却条件下。
  采用三维原子探针对含V耐火钢热轧态及600℃回火试样V的存在形态进行了试验研究。试验结果表明:热轧试样中V存在偏聚现象,与C元素偏聚行迹相似,对于尚未形成的偏聚V以相对稳定的V、C偏聚状态存在于耐火钢中。600℃回火后V的偏聚与Cr、Mo、V元素偏聚行迹相似,600℃回火后形成了Cr、Mo、V的复杂碳化物。
  根据实验室检验结果,含V耐火钢热轧态存在贝氏体及少量马氏体岛,在贝氏体铁素体中还有马氏体形成时导致的位错,NV主要出现在先共析铁素体中。在600℃回火处理后,贝氏体中的马氏体岛分解为回火索氏体,马氏体、贝氏体、铁素体的基体上出现大量细小的VN析出物。图1及图2为热轧态及600℃回火处理后析出物形貌。
 
 
图1 热轧态先共析铁素体中的VN和位错
 
 
图2 600℃回火后的VN析出物
 
 
  上述情况表明添加的V元素热轧态被“隐藏”在马氏体、贝氏体、铁素体的基体内,在加热至600℃时析出,从而起着强化作用,V在热轧态被固溶在基体内有利于耐火钢的耐火性能。
  3  结论
  (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。同一工艺条件下,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;显微组织以贝氏体为主时,添加0.10%V使室温和高温屈服强度提高;显微组织以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在耐火钢中存在偏聚现象,热轧态与C元素偏聚行迹相似,但是尚未形成VC析出相的V以相对稳定的V、C偏聚状态被“隐藏”在马氏体、贝氏体、铁素体的基体内,在加热至600℃时析出,起着强化作用。
 
 
摘选自《世界金属导报》第54卷
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