提高中碳v鋼強韌性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高中碳V鋼強韌性的方法，該方法包括如下步驟：1)冶煉時，添加N元素，控制鋼中[C]、[V]和[N]；2)加熱經(jīng)冶煉后得到的連鑄坯，使結晶狀態(tài)的VN化合物回溶到奧氏體中后，軋制成圓鋼；3)在最大析出峰值范圍保溫，使VN顆粒大量析出；4)控制圓鋼隨后冷卻速度為，使鋼中80％以上VN析出相顆粒尺寸在20～100nm范圍，即得強韌性提高的中碳V鋼。本發(fā)明通過應用N元素對鋼材性能不同方面的影響，進行微量元素成分體系設計，無需改造生產(chǎn)設備和對工藝作重大調(diào)整，即可將中碳V鋼的屈服強度提高80～170MPa，較好地改善鋼的延伸性能及斷裂韌性，斷后伸長率A提高3～5％、沖擊功Aku2提高10～50J。
【專利說明】提高中碳V鋼強韌性的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種中碳V鋼的生產(chǎn)方法，特別涉及一種提高中碳V鋼強韌性的方法， 屬于鋼鐵加工【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 中碳 V (釩）鋼主要指 35MnV、40CrV、50CrVA、40MnVB、SAE6140 (ASTM A355 標準）、 EN51CrV4(EN10083/l標準）等鋼種，多用于制造汽車零件、機械構件、彈簧、工具等，應用領 域非常廣泛，其特點是：①鋼中C含量在0. 32?0. 65% ;②鋼中V含量在0. 10?0. 30%， 尤其集中在0. 10?0. 20% ;③鋼材應用前均需淬、回火調(diào)質(zhì)處理，因而對鋼材強韌性要求 很嚴。
[0003] 這些鋼種的強韌性主要是靠合金元素固熔強化、時效沉淀強化、組織強化等手段 實現(xiàn)的，具體為：加入一定數(shù)量的合金元素增加強度、加入V進行細晶強韌化、對材料進行 熱處理工藝等。這些措施確實能提高鋼材的強韌性能，但各有優(yōu)缺點，在實用鋼中，往往要 將這些強化方法相互結合起來才能達到所需性能，不可避免地要增加鋼材生產(chǎn)過程中成 本、工序和交貨時間。
[0004] V是強化鐵素體和γ相圈形成元素之一，它和碳（C)、氮（N)、氧（0)都有極強親和 力，與之形成相應的極為穩(wěn)定的化合物（如V4C3、VN、V20 3等），在鋼中主要細化鋼的組織和 晶粒，降低鋼的過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性。鋼中C含量在0. 35?0. 65%，V元素與 C形成V4C3化合物，該化合物極為穩(wěn)定，只有在高溫下才能緩慢地溶入奧氏體中，故V4C3雖 能細化晶粒，但由于其顆粒尺寸大，反而降低了鋼的韌性。因而中碳V鋼一般要控制V的含 量（V 彡 0· 50% )。
[0005] N在鋼中與Al、Ti、V、Fe等形成穩(wěn)定化合物起固溶強化、時效強化等作用，但由于 Fe4N的析出，導致時效和藍脆等現(xiàn)象，含量超多時易形成氣泡、疏松、裂紋等缺陷。氮一般隨 爐料進入和冶煉過程中鋼液從外界吸收，非人為有目的的加入，轉(zhuǎn)爐鋼[N] :30?50ppm，電 爐鋼[N] :50?70ppm([N]代表N在鋼中的重量比濃度）。
[0006] 目前，已有利用VN改善鋼的性質(zhì)的文獻，例如"含VN、TiN粉體高鉻鑄鐵、該鑄鐵制 備方法和耐磨件"（專利號：201110137773)利用VN粉體作為高鉻鑄鐵金屬液基體和碳化 物凝固的形核核心，提高鑄件的耐磨性，起強化作用。"一種屈服強度3 400MPa級的VN鋼 筋的生產(chǎn)方法"（專利號：201110151235)將加入的VN16合金裝入普通質(zhì)量碳素結構鋼制 作的容器中并密封后置入到鋼包中，使VN16合金回收率提高，VN鋼筋的力學性能穩(wěn)定性能 更好，產(chǎn)品表面質(zhì)量得到提高。而"VN合金在非調(diào)質(zhì)鋼中的應用"（盧向陽等，《鋼鐵釩鈦》， 2000年03期）文章主要是研究了：VN合金在F35MnVN鋼中的應用，并對釩、氮的作用和鋼 水增氮方法進行了研究。但這些文獻都是利用加入的VN合金，通過金屬原子置換達到固溶 強化的，因而需要添加一定數(shù)量的含V合金、或VN合金。由于含V合金、或VN合金價格高， 故現(xiàn)行通過V原子置換達到固溶強化的生產(chǎn)工藝成本高，市場競爭力弱。另外一方面，鋼中 V含量增加后，特別是鋼中V4C3數(shù)量增加、顆粒尺寸增大時，反而會降低鋼的韌性。
[0007] 本發(fā)明方法則采用降低V含量、增加 N含量，并在軋制過程中在VN析出高峰溫度 段保持一定時間，使VN析出相數(shù)量多且其顆粒尺寸小，從而增強鋼的強度及韌性，即利用 析出強化，達到降低中碳V鋼的生產(chǎn)成本的同時，提高鋼的強韌性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種提高中碳V鋼強韌性的方法，以通過控制鋼中V和N 的含量及VN顆粒尺寸來提高中碳V鋼的強韌性，降低生產(chǎn)成本、減少后續(xù)熱處理工序。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用控制"鋼中V、N含量+VN析出相尺寸、數(shù)量"的新工 藝，即通過控制中碳V鋼中V、N元素含量、鋼坯加熱軋制、圓鋼中VN析出相顆粒尺寸及數(shù)量 等技術工藝，從而達到提1?中碳V鋼的強初性。
[0010] 具體包括以下步驟：
[0011] 1)冶煉時，添加 N元素，即在精煉過程中向鋼液吹入隊氣，并控制鋼中N含量范圍 在[N]0. 0070%?0. 0120%，同時使鋼中C、V元素含量范圍控制在：[C]0. 35%?0. 65%， [V]0·10(%?0·30(%;其中[C]、[V]和[N]分別代表C、V和N在鋼中的重量百分比濃度 ；
[0012] 2)加熱經(jīng)冶煉后得到的連鑄坯并在1100?1200°C范圍保溫30?75min，使結晶 狀態(tài)的VN化合物回溶到奧氏體中，隨后軋制成圓鋼；
[0013] 3)在850°C ±20°C最大析出峰值范圍保溫1. 0?2. Omin，使VN顆粒大量析出；
[0014] 4)控制圓鋼隨后冷卻速度為0. 7?0. 95°C/s，使鋼中80%以上VN析出相顆粒尺 寸在20?lOOnm范圍，即得強韌性提高的中碳V鋼。
[0015] 進一步改進，所述步驟1)中，將鋼中[V]范圍控制在0. 10%?0. 20% ;所述步驟 2)中，將加熱溫度控制在1140°C?1190°C，保溫30?55min。
[0016] 再進一步改進，所述步驟1)中，將鋼中V、N元素含量范圍控制為[V] :0.10%? 0· 15 %，[N] :0· 0070 % ?0· 0095 % ;或者[V] :0· 16 % ?0· 20 %，[N] :0· 0096 % ? 0. 0120%。
[0017] 更進一步改進，所述步驟3)中，將圓鋼保溫時間控制1. 2?1. 8min。
[0018] 本發(fā)明中，由于N元素、V元素以及二者形成的VN化合物分別具有如下作用：
[0019] N元素原子量14,原子半徑0. 8Xl〇-1QM(0原子半徑0. 66Xl〇-1QM，N比0原子稍 大），在鋼中與Al、Ti、V等元素形成穩(wěn)定化合物，增加鋼的強度（固溶強化、時效強化）。但 鋼中N含量不能太高，否則易出現(xiàn)各種缺陷及大塊堅硬帶棱角氮化物夾雜。
[0020] V元素原子量51，大部分均以固溶體存在鋼中，其余與鋼中0、N、C等元素形成化 合物，其中約有10?20%的V與N形成VN化合物。如鋼中[V] :0. 10%，將與0.0027? 0· 0055 %的N原子（27?55ppm)形成VN化合物。
[0021] 在鋼坯中結晶生產(chǎn)的VN化合物顆粒尺寸很大，隨著鋼坯加熱升溫到1100? 1200°C，VN回溶到奧氏體中。在軋制過程及隨后冷卻時，VN從1KKTC開始在奧氏體中析 出，此時析出的VN相顆粒數(shù)量少、直徑大，一直到650°C在鐵素體中仍有析出。整個析出過 程隨著圓鋼溫度降低，析出相尺寸越來越??；隨溫度降低，析出顆粒數(shù)量：先少一再增多一 達到最大數(shù)量一逐漸減少一停止。因 VN析出速率、顆粒尺寸與溫度有關，在工藝上采取措 施，控制80%以上VN析出相顆粒尺寸在20?lOOnm范圍，就可提高鋼材強韌性。這是因 為：如此細小析出相本身帶來沉淀強化大；其次，彌散分布的小顆粒釘扎晶界，阻止位錯滑 移，提1?鋼材初性；另外細小析出相使晶粒細化，再次提1?鋼的強初性。
[0022] 因此，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0023] 1)通過應用N元素對鋼材性能不同方面的影響，進行微量元素成分體系設計，無 需改造任何生產(chǎn)設備、無需對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝作重大調(diào)整，即可將中碳V鋼的屈服強度Rel提 高80?170MPa，同時還可改善鋼的延伸性能及斷裂韌性，斷后伸長率（延伸率）A提高3? 5%、沖擊功八 1;112提高10?50了。
[0024] 2)本發(fā)明中將N元素作為合金元素加入，并規(guī)定相應的N元素含量范圍，為今后中 碳V-N鋼成分標準制定提供基礎。
[0025] 3)本發(fā)明的中碳V鋼與常規(guī)中碳V鋼如50CrV鋼相比，僅增加了 N元素含量、通過 控制鋼中VN析出相尺寸數(shù)量，改善了鋼的強韌性，減少了熱處理工序，為下游本材料使用 降低了成本，既節(jié)約能源、保護環(huán)境、又提高了產(chǎn)品的性價比和市場競爭力。

【具體實施方式】
[0026] 實施例1
[0027] 首先，在電爐冶煉時，添加 N元素，使本實施例中鋼（記為發(fā)明鋼A)的主要成分控 制為：[C] :0.33%，[Si] :0.38%，[Mn] :1.17%，[V] :0.10%，[N] :0.0091 %，其余為鐵和 雜質(zhì)。N元素的添加可以通過如下方法實現(xiàn)：在精煉爐鋼包底吹氬（Ar)氣管道上接裝隊氣 閥門，在精煉過程中向鋼液吹入N 2氣。
[0028] 其次，電爐冶煉的連鑄坯尺寸：200X200mm，鑄坯的加熱溫度1170?1195°C范圍 保溫55min，乳制Φ 55mm圓鋼。
[0029] 利用軋制滾道密封狀態(tài)，使軋件在860?868°C范圍滯留1. 5min，使VN大量析出。
[0030] 經(jīng)冷床控冷，冷卻速度：0. 82°C /s，打捆后入坑緩冷，鋼中VN析出相尺寸在20? 100nm顆粒占總析出顆粒82. 5%。
[0031] 發(fā)明鋼 A 實物性能為：Rm :918MPa，Rel :685MPa，A :28%，Z :54%，Aku2 :137J。
[0032] 相對應發(fā)明鋼A的現(xiàn)有技術的鋼種35MnV，其主要成分為：[C] :0.34%，[Si]: 0.39%，[Μη] :1. 15%，[V] :0. 10%，[N] :0. 0057% (在電爐冶煉），其余為鐵和雜質(zhì)。
[0033] 該 35MnV 鋼實物性能為：Rm :789MPa，Rel :545MPa，A :23%，Z :50%，Aku2 :98J。
[0034] 實施例2
[0035] 首先，在轉(zhuǎn)爐冶煉時，添加 N元素，使本實施例中鋼（記為發(fā)明鋼B)的主要成分控 制為：[C] :0.40%，[Si] :0.23%，[Mn] :0.71 %，[V] :0.20%，[N] :0.0097%，其余為鐵和 雜質(zhì)。N元素的添加可以通過如下方法實現(xiàn)：在精煉爐鋼包底吹氬（Ar)氣管道上接裝隊氣 閥門，在精煉過程中向鋼液吹入N 2氣。
[0036] 其次，轉(zhuǎn)爐冶煉的連鑄坯尺寸：150X150mm，鑄坯的加熱溫度1105?1125°C范圍 保溫35min，乳制Φ 25mm圓鋼。
[0037] 利用軋制滾道密封狀態(tài)，使軋件在830?839°C范圍滯留1. 8min，使VN大量析出。
[0038] 經(jīng)冷床控冷，冷卻速度：0. 95°C /s，打捆后入坑緩冷，鋼中VN析出相尺寸在20? lOOnm顆粒占總析出顆粒94%。
[0039] 發(fā)明鋼 B 性能為：Rm:1081MPa，Rel :935MPa，A:19%，Z:64%，Aku2:122J。
[0040] 相對應發(fā)明鋼B的現(xiàn)有技術的鋼種SAE6140,其主要成分為：[C] :0. 40%，[Si]: 0.27%，[Μη] :0.75%，[V] :0.20%，[N] :0.0032% (在轉(zhuǎn)爐冶煉），其余為鐵和雜質(zhì)。
[0041] 該 SAE6140 鋼性能為：Rm :938MPa，Rel :765MPa，A :14%，Z :58%，Aku2 :72J。
[0042] 實施例3
[0043] 首先，在電爐冶煉時，添加 N元素，使本實施例中鋼（記為發(fā)明鋼C)的主要成分控 制為：[C] :0.50%，[Si] :0.25%，[Mn] :0.62%，[V] :0.16%，[N] :0.0120%，其余為鐵和 雜質(zhì)。N元素的添加可以通過如下方法實現(xiàn)：在精煉爐鋼包底吹氬（Ar)氣管道上接裝隊氣 閥門，在精煉過程中向鋼液吹入N 2氣。
[0044] 其次，電爐冶煉的連鑄坯尺寸：240X240mm，鑄坯的加熱溫度1170?1195°C范圍 保溫75min，乳制Φ 70mm圓鋼。
[0045] 利用軋制滾道密封狀態(tài)，使軋件在845?855°C范圍滯留1. 2min，使VN大量析出。
[0046] 經(jīng)冷床控冷，冷卻速度：0. 70°C /s，打捆后入坑緩冷，鋼中VN析出相尺寸在20? 100nm顆粒占總析出顆粒80%。
[0047] 發(fā)明鋼 C 性能（調(diào)質(zhì)后）為：Rm :1382MPa，Rel :1245MPa，A :15%，Z :55%，Aku2 : 130J。
[0048] 相對應發(fā)明鋼C的現(xiàn)有技術的鋼種50CrVA，其主要成分為：[C] :0. 50%，[Si]: 0.30%，[Μη] :0.60%，[V] :0.16%，[N] :0.0070% (在電爐冶煉），其余為鐵和雜質(zhì)。
[0049] 該 50CrVA 鋼性能（調(diào)質(zhì)后）為：Rm :1305MPa，Rel :1165MPa，A :12%，Z :50%，Aku2 : 119J。
[0050] 實施例4
[0051] 首先，在轉(zhuǎn)爐冶煉時，添加 N元素，使本實施例中鋼（記為發(fā)明鋼D)的主要成分控 制為：[C] :0.63%，[Si] :0.20%，[Mn] :0.77%，[V] :0.15 %，[N] :0.0070%，其余為鐵和 雜質(zhì)。N元素的添加可以通過如下方法實現(xiàn)：在精煉爐鋼包底吹氬（Ar)氣管道上接裝隊氣 閥門，在精煉過程中向鋼液吹入N 2氣。
[0052] 其次，轉(zhuǎn)爐冶煉的連鑄坯尺寸：200X200mm，鑄坯的加熱溫度1130?1155°C范圍 保溫40min，乳制Φ40_圓鋼。
[0053] 利用軋制滾道密封狀態(tài)，使軋件在850?860°C范圍滯留1. 3min，使VN大量析出。
[0054] 經(jīng)冷床控冷，冷卻速度：0. 88°C /s，打捆后入坑緩冷，鋼中VN析出相尺寸在20? lOOnm顆粒占總析出顆粒87%。
[0055] 發(fā)明鋼 D 性能為：Rm :907MPa，Rel :805MPa，A :25%，Z :51%，Aku2 :94J。
[0056] 相對應發(fā)明鋼D的現(xiàn)有技術的鋼種60CrV，其主要成分為：[C] :0. 63%，[Si]: 0· 19%，[Μη] :0.80%，[V] :(λ 15%，[N] :0.0047% (在轉(zhuǎn)爐冶煉），其余為鐵和雜質(zhì)。
[0057] 該 60CrV 鋼性能為：Rm :835MPa，Rel :679MPa，A :21%，Z :42%，Aku2 :67J。
[0058] 將各實施例中發(fā)明鋼與對應鋼種性能差異匯集于下表1，可見發(fā)明鋼較對應鋼種 顯著提高了強韌性。
[0059] 表1各實施例中發(fā)明鋼與對應鋼種力學性能表
[0060]

【權利要求】
1. 一種提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：該方法包括如下步驟： 1) 冶煉時，添加 N兀素，即在精煉過程中向鋼液吹入N2氣，并控制鋼中N含量沮圍在 [N]0. 0070 %?0. 0120%，同時使鋼中C、V元素含量范圍控制在：[C]0. 35 %?0. 65%， [V]0·10(%?0·30(%;其中[C]、[V]和[N]分別代表C、V和N在鋼中的重量百分比濃度 ； 2) 加熱經(jīng)冶煉后得到的連鑄坯并在1100?1200°C范圍保溫30?75min，使結晶狀態(tài) 的VN化合物回溶到奧氏體中，隨后軋制成圓鋼； 3) 在850°C ±20°C最大析出峰值范圍保溫1. 0?2. Omin，使VN顆粒大量析出； 4) 控制圓鋼隨后冷卻速度為0. 7?0. 95°C /s，使鋼中80%以上VN析出相顆粒尺寸在 20?lOOnm范圍，即得強韌性提高的中碳V鋼。
2. 根據(jù)權利要求1所述的提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：所述步驟1)中， 將鋼中[V]范圍控制在0. 10 %?0.20 % ;所述步驟2)中，將加熱溫度控制在1140°C? 119(TC，保溫 30 ?55min。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：所述步驟1) 中，將鋼中V、N元素含量范圍控制為[V] :0. 10%?0. 15%，[N] :0. 0070%?0. 0095%。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：所述步驟1) 中，將鋼中V、N元素含量范圍控制為[V] :0. 16%?0. 20%，[N] :0. 0096%?0. 0120%。
5. 根據(jù)權利要求3所述的提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：所述步驟3)中， 將圓鋼保溫時間控制1. 2?1. 8min。
6. 根據(jù)權利要求4所述的提高中碳V鋼強韌性的方法，其特征在于：所述步驟3)中， 將圓鋼保溫時間控制1. 2?1. 8min。
【文檔編號】C22C33/04GK104195409SQ201410439695
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】陳慶豐, 許竹桃, 陳華強, 汪菊華, 余愛華, 張歡, 張青山, 黃海玲, 黃紅明, 李獻忠, 李偉, 萬升 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司