钒在钢轨钢中的作用研究
第36卷 第6期2001年6月
钢 铁
IRONANDSTEEL
Vol.36,No.6
June2001
钒在钢轨钢中的作用研究
徐 权 梅东升 俞梦文 邹 明 郭 尧
(攀枝花钢铁(集团)公司)
摘 要 介绍了钒在钢轨钢中溶解、析出、分布情况,分析了钒对钢轨钢组织结构及对钢轨钢性能的影响。关键词 钒 钢轨 作用 组织 性能①
EFFECTOFVANADIUMINRAILSTEEL
XUQuan MEIDongsheng YUMengwen ZOUMing GUOYao
(PanzhihuaIronandSteel(Group)Corp1)
ABSTRACT Thedissolution,precipitationanddistributionofvanadiuminrailsteelareintroducedinthispaper,effectofvanadiumonthemicrostructureandpropertiesofrailsteelisalsoanalyzed1
KEYWORDS vanadium,railsteel,effect,microstructure,property
1 前言
mm的试棒(终轧温度约950℃),每一试棒轧后一
钒作为一种微合金化元素在亚共析钢中得到了
广泛应用,并进行了较深入的研究,其作用机制主要是沉淀强化和晶粒细化。但在钢轨钢中的应用却遇到了一些问题,如欧洲的铬钒轨中沉淀强化明显,但塑性损失较大,特别是焊接时易出现贝氏体、马氏体,从而影响了铬钒轨的进一步推广应用;在研究方面,尤其是钒在钢轨钢(共析钢)中的作用研究不够,因而也影响了钒在其中的应用。攀钢利用自身优势,成功开发了PD3钒微合金化钢轨,随着PD3钢轨在国内大规模推广应用,含钒钢轨日益受到关注,钒在钢轨钢中的作用研究也在有关组织支持下得以较系统展开。2 试验材料及方法
分为二,分别采用两种冷却方式,其一为空冷;其二是先空冷至760℃,然后浸入冷却介质中以3℃ s控冷至600℃,再取出空冷(表1)。通过化学相分析确定试验钢中沉淀析出钒量、渗碳体(M3C)中钒量。电解试样尺寸为
取钒含量为0109%的微合金化钢轨,加工成
实验室中频炉冶炼两炉试验(编号为 、 ),每炉钢浇注成3个不同钒、氮含量的钢锭(同一炉钢中碳、硅、锰、磷、硫含量基本相同),钒含量设计按对比钢(0101%V)、中钒(0109%V)、高钒(0116%V)考虑(本文里中、高均相对而言),氮含量设计按中氮、高氮考虑,具体钒、氮含量见表1。钢锭经锻造后,轧制成断面尺寸为30mm×60
①联系人:徐 权,工程师,攀枝花(617067)攀钢钢铁研究院
表1 试验钢中钒、氮含量及钒在钢轨钢中的分布
Table1 Vanadiumandnitrogencontentsinteststeelandvanadiumdistributioninrailsteels
熔炼号 21 21 22 22 23 23 21 21 22 22 23 1)均为相对量
钒含量 %
[***********][***********]01090116氮含量 %
[***********][***********][***********][1**********]1冷却工艺空冷
控冷空冷控冷空冷控冷空冷控冷空冷控冷空冷%M3C中钒量1) 沉淀量1) %
—
—
2072412
固溶量1) %
—
—
29572048
——
51365640
——
414548——
312432——
283120表2 PD3钢中的钒的溶解行为
Table2 Solutionbehaviorofvanadium
inC2Si2Mn2Vsteel
编号
R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10
加热速度 加热温度 保温时间 ℃℃・s-1s
[***********]15
[***********][***********]0
[1**********]
冷却
工艺水淬水淬水淬水淬水淬水淬水淬水淬水淬水淬
相对溶解量 %
[***********]6
图1 空冷条件下试样TEM像
Fig11 Electronmicrographofteststeelin
air2cooledcondition
(a) 22钢;(b) 23钢
表3 PD3钢中钒的析出行为1)
Table3 Theprecipitatingbehaviorin
C2Si2Mn2Vrailsteel
编号
X1X23
312 钒对钢轨钢组织结构的影响
将试验用钢(中频炉冶炼第 炉钢,其钒含量
见表4,其他成分如碳、硅、锰、磷、硫含量相同)加热到1000℃,保温10s,在FORMAST2F相变仪上测定过冷奥氏体相变参数结果见表4。
表4 试验钢钒含量及过冷奥氏体相变参数
Table4 Vanadiumcontentinteststeelandthe
CCTparameterofrailsteels
熔炼号 21 22V %
连续冷速 冷却终了温度
℃℃ s-1
015115310
252525
相对析出量 %一组
684138
二组2)
865040
1)试验加热速度为15℃ s,加热温度为1200℃,保温5s;
2)自1200℃冷至1000℃时进行70%的压缩变形。
℃℃℃ s
vP
-1
℃ s
vF
-1
TP
3
℃
6
TP
℃
3 试验结果
311 含钒钢轨钢中钒的溶解析出形为
[***********]0在试验钢中,钒的溶解和析出及分布情况参见
表1、2、3。图1为电镜观察结果,从图1可见,在铁素体内有析出物粒子出现,经分析析出物粒子为碳氮化钒粒子,且 23钢中的析出物粒子数量较 22钢的多
。
—[**************] 注:vP——获得全珠光体的最大冷速;vF——形成先共析铁素体
3
的最大冷速;TP——以3℃ s连续冷却时,珠光体初始转变温度;6
——以6℃ TPs连续冷却时,珠光体初始转变温度。
根据实际应用需要,组织结构参数选定原始奥氏体晶粒尺寸和珠光体片间距为研究对象,奥氏体
晶粒尺寸评定采用线切割法;结果见表5。
表5 奥氏体晶粒尺寸dA和
珠光体片间距SP
Table5 Grainsizeofpriorausteniteandinterlamellar
spacingofpearlite
熔炼号 21 22dA Λm
SP Λm
沿纵向从空冷、控冷试棒上加工
试样,然后进行拉伸试验;在INSTRON8503材料试验机上按ASTME399283标准进行断裂韧性KIC的测定,采用厚度为23mm的紧凑拉伸试样,沿横向开缺口。结果见图2所示。
314 氮含量对钒在钢轨钢中行为的影响
空冷
1)
控冷
1)
353701188(01030)01169(01021)01141(01022)01121(01019) 1)括号内的数据为标准差。
为研究氮含量对钒在钢中作用的影响,设计了中氮含量约60×10-6(I组)和高氮含量约120×10-6( 组)进行对比。比较内容分两方面,一是观察氮含量对强韧性影响规律的变化,二是分析碳氮化钒析出量的差别。关于第一方面,将在讨论钒对强韧性影响后叙述
;
313 钒对钢轨钢性能的影响
图2 钒对钢轨钢强韧性的影响
Fig12 Effectofvanadiumonstrengthandtoughnessofrailsteels
(a)空冷,Ρb;(b)控冷,Ρb;(c)空冷,KIC;(d)控冷,K
IC
而由表1所得出氮对碳氮化钒析出量的影响表明:钢中氮含量对碳氮化钒析出量的影响比较明显,比较结果见表6。
表6 氮含量对碳氮化钒沉淀量的影响1)
Table6 Effectofnitrogencontentonthe
amountofV(C,N)
对比组别 22与 22
∃N
010052411 钢轨钢中钒的溶解、析出
钒的溶解:由表2可见,当加热温度为950℃时,PD3钢中沉淀析出的钒约50%已溶解,至1000℃,碳氮化钒已所剩无几,1150℃,钒即已完全溶解。
钒的析出:表3结果表明,首先,冷却速度在310℃ s以下时,其变化对钒的沉淀影响明显,015
%
∃V(C,N)空冷
01010控冷
01015℃ s比310℃ s时的析出量增加约1倍,且第二组的析出量较第一组大,说明变形有促进析出的作用。根据表3,还可以推算出热轧态下,PD3钢轨中钒的析出量约为0101%~0102%,因此,其沉淀强化的作用较弱;PD3钢轨在线热处理时,钢中钒的析出量会更少。
1)对应两组钢氮含量的差以及以碳氮化钒形式存在的钒含量差。
4 讨论
412 钒在钢轨钢中的分布
由表1可见,空冷条件下约一半的钒存在于渗碳体中,即形成合金渗碳体是其最主要的形式,而固溶量和析出则受氮含量和冷却速度的影响,中氮中钒钢( 22)中沉淀析出量相对较少;表1还反映另一明显的规律,即控冷使钒的沉淀析出量明显减少,亦减少了渗碳体中的钒量,而固溶量则显著增加。
413 钒对钢轨钢过冷奥氏体转变及组织的影响
对过冷奥氏体转变的影响:由表4可见,不含钒的 21钢不会出现先共析铁素体,而含钒0109%的 22钢和含钒0116%的 23钢,形成先共析铁素体的最大冷速分别为313℃ s和715℃ s,显然,钒的加入促进了先共析铁素体的形成;表4还表明,中钒的 22钢,珠光体形成温度最低,而高钒的 23钢却最高,且冷却速度变化并未改变这种规律,这意味着,加入适量的钒会降低珠光体转变温度,而加入量过大则会起相反的作用。
对组织结构的影响:当钒全部溶入钢中时,对奥氏体晶粒长大的阻碍是无效的。表5中原始奥氏体晶粒尺寸的测定结果证明了这一点,因此,在工业生产中钒微合金化钢轨钢中的钒不能发挥对原始奥氏体晶粒的细化作用。由表5可知:加入0109%V可获得最细的珠光体片间距SP,这与钒对珠光体转变温度的影响结果是一致的。珠光体片间距决定于珠光体形成温度,形成温度愈低,过冷度越大,珠光体片间距越小[1]。
414 钒对钢轨钢性能的影响
由图2可见,钒的强化作用十分明显,在空冷条件下加入0116%V,可获得100MPa左右的抗拉强度增量;在控冷条件下,抗拉强度增量甚至可达200MPa。比较图2(a)、(b)、(c)、(d)可见,在韧性变化趋势及水平相当的同时,控冷钢强度随钒含量增加而升高的幅度明显大得多,可见控冷更有
利于钒作用的发挥。
钢轨钢中加入0109%V,不但可以有效地提高强度,且韧性较不加钒时有所改善,此时,钢轨钢具有最佳的强韧性配合,中钒的这种作用与其降低珠光体转变温度、细化珠光体片间距,且沉淀析出很少是分不开的。研究表明[2],片状珠光体钢的性能主要取决于片层间距,片层间距越小,珠光体的强度越高,韧塑性也越好。钒含量增至0116%时,强度提高,韧性下降,但仍具有较高的强韧性配合,这与高钒时,珠光体转变温度升高,珠光体片间距增大,沉淀析出较多有关。
415 氮含量对钒在钢轨钢中作用的影响
氮含量对钒强韧化关系的影响,由图1(a)、(b)和图1(c)、(d)可见,相邻折线间的变化趋势基本相同,因此,氮含量对钒强韧性关系无明显影响。
氮含量对碳氮化钒沉淀析出的影响:由表7可见,无论空冷或控冷,氮含量的增加都会促进碳氮化钒的沉淀析出,且作用明显。
综上所述,氮对碳氮化钒沉淀析出的影响较大,但对钒强韧性关系的影响小,这一方面说明氮的影响还有待于进一步研究,另一方面也说明,高碳钢中碳氮化钒的沉淀析出对性能的作用不像在中、低碳钢中的那么显著。5 结论
当钒含量为0109%时,钒在钢轨钢中主要形成合金渗碳体和固溶于铁素体中,沉淀析出较少;其强韧化作用主要是通过降低珠光体转变温度,从而减小珠光体片间距来实现的,钒的沉淀强化作用小,对韧性无不利影响,此时,具有最佳的强韧性配合;钒含量增至0116%时,强度高,韧性下降,但仍具有较高的强韧性。增加氮含量促进钒的析出,但在性能上没有反映。
参 考 文 献
1 俞德刚,谈育熙1钢的组织强度学1上海:上海科学技术出版社,1983188~9112 王健安1金属学与热处理1北京:机械工业出版社,19801261