CN104313249A - 控制细化vn析出相尺寸及数量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、保温和控冷的步骤；其中，冶炼步骤中，通过在精炼过程中向钢液吹入N2气添加N元素，控制钢中[N]0.0070％～0.0120％，同时使钢中：[C]0.37％～0.65％，[V]0.10％～0.30％；加热步骤中，加热钢坯并均热保温；轧制步骤中，控制开轧和终轧温度；保温步骤中，控制保温范围和时间；控冷步骤中，控制轧件冷却速度，至550～600℃使轧件入坑缓冷或堆冷。本发明通过特定工艺条件对析出的自发性、无序化进行有效控制，从而使钢中VN析出相颗粒直径集中、数量比例最佳，提高了钢的屈服强度、抗拉强度和延展性。
Description
技术领域
本发明涉及一种含钒(V)、氮(N)元素合金钢中VN析出相控制的方法，特别涉及一种控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，属于钢铁生产技术领域。
背景技术
V是强化铁素体和γ相区形成元素之一，它与C、N、O都有极强的亲和力，与之形成相应的稳定的化合物(如V4C3、VN、V2O3等)。V在钢中主要细化钢的组织和晶粒，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。其次，V在高温溶入奥氏体时能增加钢的淬透性，相反，以碳化物形态存在时，降低钢的淬透性。另外，V的化合物在高温极稳定，提高了钢的耐磨性。
N随炉料进入钢水或冶炼过程被钢水吸入，在现有条件下，不能完全去除，以前均认为是一种有害杂质元素。一般情况下，电炉冶炼的钢液N含量稍高。但N能扩大γ相区，形成和稳定奥氏体组织。N固溶于铁形成间隙式固溶体，在奥氏体中溶解度较大，并随温度升高而降低；N在α铁素体中的溶解度在布氏体共析转变温度590℃时最大，为0.10％，随温度降低其溶解度急剧降低，如在100℃时仅0.001％。
N在钢中起固溶强化和时效沉淀析出强化作用，与钢中Al、Ti、V、Nb及Fe等元素形成稳定化合物，这些化合物在钢坯加热时回溶于奥氏体中，并在轧制时及轧后再次从钢中析出，这些析出相随温度降低，颗粒直径尺寸减小、析出数量呈各种不同的波浪曲线，即在各自不同的温度段均有最大析出数量，控制析出相成分、析出温度可以得到最多细小弥散析出物颗粒。目前，向钢中添加N元素的工艺为在精炼中后期，向钢中加入含N合金，如AlN、TiN、CrN、MnSiN等合金，该方法制备的工艺钢中N含量控制准确；但生产成本较高。
众所周知，钢中还不可避免的存在C、O等元素，这些元素在钢中也与Al、Ti、V、Nb等形成稳定化合物，如Al2O3、TiO2、V2O5、TiC、V4C3、NbC、Ti(CN)、V(CN)、Nb(CN)等，随后在轧制时及轧后析出，但这些颗粒尺寸及数量与VN析出相不同，对钢的力学性能、组织结构、热处理稳定性等均有很大影响。本发明方法就是抑制钢中其它析出物种类、数量、颗粒尺寸，而使VN析出相数量最多、颗粒尺寸集中、弥散均有分布。
针对钢中VN析出相，已有许多专利、文章介绍，如：“含VN、TiN粉体高铬铸铁、该铸铁制备方法和耐磨件”(专利号：201110137773)、“一种屈服强度≥400MPa级的VN钢筋的生产方法”(专利号：201110151235)、“P92耐热钢δ-铁素体内的析出相”(《钢铁钒钛》2000年03期，石如星等)、“氮含量和TMCP对微合金V-N钢显微组织和力学性能的影响”(《热处理学报》2008年03期，尹桂全等)等均从不同方面介绍VN析出相的作用、颗粒尺寸及析出温度。
专利“含VN、TiN粉体高铬铸铁、该铸铁制备方法和耐磨件”是说明：VN粉体可作为高铬铸铁金属液基体和碳化物凝固的形核核心，可提高铸件的耐磨性，VN粉体纳米颗粒起到了强化作用。
专利“一种屈服强度≥400MPa级的VN钢筋的生产方法”是说明：采用其方法，使VN16合金回收率提高，VN钢筋的力学性能稳定且降低生产成本。
文章“P92耐热钢δ-铁素体内的析出相”介绍了：超临界锅炉P92钢在不同时效状态下δ-铁素体内包含两种析出相，分别为VN与Laves相，VN呈短棒状，尺寸20～70nm，较为稳定，Laves相平均等效直径在600℃下随时间的增加则有较大改变。
文章“氮含量和TMCP对微合金V-N钢显微组织和力学性能的影响”介绍了：15MnVN钢工字梁大线能量弧焊时，在焊态或SR态下，由于焊缝冷速大，或因重复加热温度不够高，V、N均不能以非共格形式析出。V的共格析出是使焊缝强度过高和韧性偏低的重要原因。
但以上专利、文章仅是记载了VN析出相尺寸、形状及对钢的力学性能的影响，而未记载如何通过工艺条件来控制钢中VN相析出的数量、颗粒直径范围，以得到所需的对钢的各种性能最佳匹配的VN相尺寸及数量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，该方法通过设计钢中V、N元素含量，控制钢材轧制和轧后在某一特定温度范围延时保温，使钢中VN析出相颗粒直径集中、数量比例最佳。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括冶炼、连铸、加热、轧制、保温和控冷的步骤；
其中，所述冶炼步骤中，添加N元素，即在精炼过程中向钢液吹入N2气，控制钢中N含量范围在[N]0.0070％～0.0120％，同时使钢中C、V元素含量范围控制在：[C]0.37％～0.65％，[V]0.10％～0.30％；其中[C]、[V]和[N]分别代表C、V和N在钢中的重量百分比浓度；
所述加热步骤中，加热钢坯并在1100～1200℃范围均热保温30～75min，使结晶状态的VN化合物回溶到奥氏体中，随后轧制成钢板圆钢；
所述轧制步骤中，开轧温度为1050～1120℃范围，终轧温度为890～950℃；
所述保温步骤中，在830～880℃范围，将轧件保温1～2.5min，使VN大量析出；
所述控冷步骤中，控制轧件随后冷却速度0.7～0.95℃/s，至550～600℃使轧件入坑缓冷或堆冷。
进一步地，所述冶炼步骤中，钢中V范围控制在[V]0.10％～0.20％；所述加热步骤中，在1140℃～1190℃范围均热保温30～55min。
更进一步地，所述保温步骤中，在830～870℃范围，将轧件保温1.3～2.1min，使VN大量析出。
本发明通过通入N2气，增加钢中N的含量；通过控制钢中V、N元素含量，并采用在特定温度段对含V、N元素的钢进行“延时保温”工艺，使扎件在830～880℃范围的滞留时间从现有技术的28.5～41.7s提高到1～2.5min，可以对析出的自发性、无序化进行有效控制，从而使钢中VN析出相颗粒直径集中、数量比例最佳，在不增加生产工艺、成本和不需添加任何强化合金元素的情况下，即能提高钢的屈服强度、抗拉强度80～170Mpa。同时，本发明控制生成的细小的VN析出相颗粒钉扎在晶界上，可阻止晶粒滑移，从而有利于提高钢的延展性。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
本发明的技术方案包括冶炼、连铸、加热、轧制、保温和控冷的步骤；
其中，所述冶炼步骤中，添加N元素，即在精炼过程中向钢液吹入N2气，控制钢中N含量范围在[N]0.0070％～0.0120％，同时使钢中C、V元素含量范围控制在：[C]0.37％～0.65％，[V]0.10％～0.30％；其中[C]、[V]和[N]分别代表C、V和N在钢中的重量百分比浓度；
N元素的添加可以通过如下方法实现：在精炼炉钢包底吹氩(Ar)气管道上接装N2气阀门，在精炼过程中向钢液吹入N2气。
所述加热步骤中，加热钢坯并在1100～1200℃范围均热保温30～75min，使结晶状态的VN化合物回溶到奥氏体中，随后轧制成钢板圆钢；
所述轧制步骤中，开轧温度为1050～1120℃范围，终轧温度为890～950℃；
所述保温步骤中，在830～880℃范围，将轧件保温1～2.5min，使VN大量析出；
所述控冷步骤中，控制轧件随后冷却速度0.7～0.95℃/s，至550～600℃使轧件入坑缓冷或堆冷。
实施例1：
首先，在冶炼时，添加N元素，使本实施例中钢(记为发明钢A)部分元素含量为[C]：0.39％，[Cr]：0.91％，[V]：0.10％，[N]：0.0119％，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
转炉冶炼、连铸坯尺寸：200×200mm，铸坯的加热在温度1140～1165℃范围均热55min；
开轧温度1093℃，轧制Φ55mm圆钢，终轧温度930℃；
终轧后喷水冷却，并利用轧制滚道密封状态使轧件返红，在845～860℃范围滞留1.7min，使VN大量析出；
出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0.82℃/s，剪切、打捆后于580℃入坑缓冷。
发明钢A中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的88.2％。
作为对比钢种40CrV(满足国标3077-2002成分要求)部分元素含量为[C]：0.39％，[Cr]：0.90％，[V]：0.10％，[N]：0.0047％(转炉冶炼)，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
40CrV钢中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的27.8％，直径大于100nm颗粒占42.5％，还有大颗粒的AlN、TiN等析出相。
实施例2：
首先，在冶炼时，添加N元素，使本实施例中钢(记为发明钢B)部分元素含量为[C]：0.50％，[Cr]：0.95％，[V]：0.20％，[N]：0.0070％，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
转炉冶炼、连铸坯尺寸：150×150mm，铸坯的加热在温度1100～1120℃范围均热30min；
开轧温度1050℃，轧制Φ25mm圆钢，终轧温度890℃；
终轧后喷水冷却，并利用轧制滚道密封状态使轧件返红，在830～845℃范围滞留2.1min，使VN大量析出；
出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0.95℃/s，剪切、打捆后于550℃堆冷。
发明钢B中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的91.7％。
作为对比钢种50CrVA为[C]：0.50％，[Cr]：0.93％，[V]：0.20％，[N]：0.0067％(电炉冶炼)，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
50CrVA钢中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的42.3％。
实施例3：
首先，在冶炼时，添加N元素，使本实施例中钢(记为发明钢C)部分元素含量为[C]：0.63％，[Cr]：1.01％，[V]：0.15％，[N]：0.0095％，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
转炉冶炼、连铸坯尺寸：240×240mm，铸坯的加热在温度1180～1195℃范围均热75min；
开轧温度1120℃，轧制Φ70mm圆钢，终轧温度950℃；
终轧后喷水冷却，并利用轧制滚道密封状态使轧件返红，在860～870℃范围滞留1.3min，使VN大量析出；
出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0.70℃/s，剪切、打捆后于600℃入坑缓冷。
发明钢C中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的80.7％。
作为对比钢种60CrV为[C]：0.62％，[Cr]：0.99％，[V]：0.15％，[N]：0.0075％(电炉冶炼)，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
60CrV钢中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的44.3％。
实施例4：
首先，在冶炼时，添加N元素，使本实施例中钢(记为发明钢D部分元素含量为[C]：0.50％，[Cr]：0.94％，[V]：0.15％，[N]：0.0103％，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
转炉冶炼、连铸坯尺寸：200×200mm，铸坯的加热在温度1140～1165℃范围均热54min；
开轧温度1094℃，轧制Φ45mm圆钢，终轧温度921℃；
终轧后喷水冷却，并利用轧制滚道密封状态使轧件返红，在840～860℃范围滞留1.8min，使VN大量析出；
出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0.88℃/s，剪切、打捆后于560℃堆冷。
发明钢D中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的86.0％。
作为对比钢种50CrVA-1为[C]：0.50％，[Cr]：0.95％，[V]：0.15％，[N]：0.0110％(转炉冶炼，增N)，其余为Si、Mn、Al、Ti、Fe和杂质；
同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
50CrVA-1钢中VN析出相尺寸在20～100nm范围的颗粒占总析出颗粒数的48.7％。
将本发明钢种与对应钢种的析出相相同尺寸的颗粒比例差异汇集于表1，可以看出本发明钢种的VN析出相颗粒尺寸集中。而不采用本发明方法轧制的钢，不管钢的成分相同或有差异，特别是钢中N含量，其规定尺寸的VN析出相颗粒数量比例少，整体析出相尺寸范围大。
表1 本发明钢种与对应钢种析出相尺寸对比表
| 钢种牌号 | 直径20～100nm颗粒占总颗粒树比例，％ |
| 发明钢A | 88.2 |
| 40CrV | 27.8 |
| +60.4 | |
| 发明钢B | 91.7 |
| 50CrVA | 35.1 |
| +56.6 | |
| 发明钢C | 80.7 |
| 60CrV | 42.3 |
| +38.4 | |
| 发明钢D | 86.0 |
| 50CrVA-1 | 48.7 |
| +37.3 | |
| 相差 | +37.3～60.4 |
Claims (3)
1.一种控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，其特征在于：该方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、保温和控冷的步骤；
其中，所述冶炼步骤中，通过在精炼过程中向钢液吹入N2气添加N元素，控制钢中N含量范围在[N]0.0070％～0.0120％，同时使钢中C、V元素含量范围控制在：[C]0.37％～0.65％，[V]0.10％～0.30％；其中[C]、[V]和[N]分别代表C、V和N在钢中的重量百分比浓度；
所述加热步骤中，加热钢坯并在1100～1200℃范围均热保温30～75min，使结晶状态的VN化合物回溶到奥氏体中，随后轧制成钢板圆钢；
所述轧制步骤中，开轧温度为1050～1120℃范围，终轧温度为890～950℃；
所述保温步骤中，在830～880℃范围，将轧件保温1～2.5min，使VN大量析出；
所述控冷步骤中，控制轧件随后冷却速度0.7～0.95℃/s，至550～600℃使轧件入坑缓冷或堆冷。
2.根据权利要求1所述的控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，其特征在于：所述冶炼步骤中，钢中V范围控制在[V]0.10％～0.20％；所述加热步骤中，在1140℃～1190℃范围均热保温30～55min。
3.根据权利要求1或2所述的控制细化VN析出相尺寸及数量的方法，其特征在于：所述保温步骤中，在830～870℃范围，将轧件保温1.3～2.1min。
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