钒钛铌等微合金元素在低合金钢

鞍钢钒、钛、铌微合金钢的应用与开发

林滋泉 敖列哥 郝 森 鞍山钢铁集团公司

1 前言 七十年代以来，随着国家资源的开发和科学研究水平的提高，钒、钛、铌、氮等合金元素做为开发低合钢的有效元素得到了广泛的应用。我国微合金元素储量丰富，氧化钒的储量达到2500万吨，占世界第三位；氧化钛的储量为6.289亿吨，几乎占世界总储量的45.58%；氧化铌储量为388万吨。因此我国具有发展微合金化钢的巨大资源优势。随着冶金生产设备和工艺技术的更新与变革，微合金元素的使用已使低合金高强度钢领域的品种发生了深刻的变化，微合金元素的开发与应用充实了低合金钢的物理冶金内容和强韧化原理［１］。其中钒的应用已十分广泛，在我国已形成多种牌号的钒钢及钒微合金化钢，我国纳入国家标准的钢种号中，含钒钢牌号有139种，占所有钢种的57%，据

统计我国钢铁业每年用钒量超过2000吨［2］。尽管如此，我国低、微合金钢的生产还没有摆脱数量型发展模式，从低、微合金钢产品结构上看，20MnSi、U71Mn 重轨等条形材及部分16Mn 钢板占了主要部分。若按国际通行计算方法计算，我国真正的低、微合金钢产量比例极低，特别是平材的比例更低，表1给出了1995年中国低、微合金占总钢产量的份额［３］。它表明了中国的低、微合金钢产量、品种结构与世界先进国家差距甚远。在全球经济一体化的今天，在世界钢铁生产能力趋于饱合的背景下，大力发展低、微合金钢，调整产品结构无疑是我国钢铁发展的必由之路。含钒钢及钒、钛、铌微合金钢的开发应用前景非常广阔。

表1 1995年中国低、微合金钢产量份额

年产量(万吨) 低、微合金钢产量

(万吨) 占钢产量比例

(%) 低、微合金钢板产量

(万吨) 占钢产量(%) 9400.0

365.82

3.89

46.0

0.489

2 鞍钢含钒微合金化钢的开发应用

2.1 钒、钛、铌在钢中的微合金化作用

合金元素钒在钢中的有利作用主要是以其碳、氧化物形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。钒在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的很多，随着相变的进行，在一定的热力学和动力学条件下，钒的碳、氮化物在相界析出，通过在两相区加速冷却，可以细化晶粒，控制其碳、氮化物的析出，其沉淀物的大小和分布，决定了其沉淀强化的效果。由于钒和氮有很强的亲和力，在添加一定量的钒的同时，增加一定量的氮，使其强化效果更为有效。图1表明了鞍钢开发的15MnVN 钢板不同温度条件下力学性能和析出相参数的关系，说明了在不同析出温度条件下，VC 析出量的变化对钢板力学性能指标的影响。一般通过钒在铁素体中的沉淀析出，可使钢的强度增加

100MPa 以上。

图1 950℃水冷后不同加火温度下析出相与

力学性能的关系

除了钒以外，钛元素也在低、微合金钢开发中起了重要作用，在低合金高强度钢中加入微量钛即

可有效抑制钢中奥低体晶粒长大，尤其是对高温区奥氏体晶粒长大的抑制作用更为明显。由于钛的析出可固定焊接件粗晶区的自由氮，并抑制焊缝区的晶粒长大，对钢的焊接性能有很大改善。80年代中期，鞍钢有机会从国外进口较低价格的铌铁，逐步深入开展了含铌低合金钢的研究，由于铌在低C-Mn 钢中固溶阻滞或析出机制有明显

图

2 Nb、Ti 对钢再结晶性能的影响

的抑制高温氏体再结晶发生的效果，使含铌钢在控轧控冷工艺中显示出很大的优越性。图2给出了Nb、Ti 对奥氏体再结晶的影响。钒、铌、钛的复

合作用也是近年来鞍钢开展的工作之一。如作为九江大桥用钢的15MnVN，对其母材及焊接接头的时效韧性提出了较严格的要求，而15MnVN 钢经大线能量焊接后，熔合线附近区域中固溶氮量增加，韧性下降，应时效不足［４］，国外非调质大线能量用钢多采用加入微量钛的方法，利用TiN 的析出以固定焊后粗晶区中自由氮，并抑制晶粒粗化，提高韧性。图3给出了含钛量不同的三种15MnVN 钢焊接粗晶区的奥氏体晶粒尺寸，表明了在t8/5=60s 时的大线能量焊接热循环条件下微量钛的作用，晶粒度保持在7-8级。图4给出了微量钛对15MnVN 钢焊接粗晶区析出相的影响。表2是加入微量钛(0.029%)与未加钛的母材时效后的冲击韧性结果对比。加钛后后15MnVN(C)钢母材对应变时效敏感性明显下降，时效后的冲击韧性也有所提高，特别是裂纹扩展功在总功中所占比例(59%)大大高于未加钛的A 钢(38%)。说明钛与氮更强有力的结合使母材中自由态氮原子进一步减少。既使经过5%塑性应变后，在时效处理中也不易形成钉扎位错的柯氏气团，显现出较小的脆化倾向。衅5给出了含钛0.029%的15MnVN 钢与不含钛钢的时效冲击韧性对比，在-40℃下粗晶区时效韧性仍达到36J/cm2，而不含钛的钢在室温下冲击值也只有20J/cm2，说明在15MnVN 钢中加入微量钛对提高粗晶区韧性有明显作用。

图3 钛含量对15MnVN 钢焊接粗晶区和奥氏体晶粒度的影响

表2 15MnVN 钢母材应变时效试验结果

示波冲击功(-20℃，J)

钢种

应变时效处理状态

总冲击功 裂纹形成功裂纹扩展功时效敏感系

数% 未时效 47.5 17.9 29.4 - 15MnVN(A) (未加钛) 应变量5% 25 13 11.9 47 未时效 45 19 26 - 15MnVN(C) (Ti0.029%)

应变量%

30 14 16

35

图4 钛对15MnVN 钢焊接粗晶区析出相的影响

图5 含0.029%钛与不含钛15MnVN 钢的时效

冲击韧性对比

钒在低合金高强度钢中还会影响到钢的转变

特性，它能速珠光体的形成。鞍钢开发的重轨U75SiMnV，在较高的碳、锰含量下加入钒，提高了钢轨的强度和耐磨性。

钒能够显著提高热轧珠光体钢的强度，主要是钒为强烈形成碳化物元素。当钢在加热时，钒和碳、氮化物固溶于奥氏体中，在轧制和冷却过程中以钒的碳、氮化物形态析出，起到了强化的作用。

2.2 鞍钢钒、铌、钛钢的开发与应用 鞍钢是中国最早开发应用低、微合金钢的钢厂之一。中国第一个低合金钢种16Mn 就是由鞍钢开发出来的。七十年代起，钒、钛开始得到广泛应用。八十年代由于铌铁价格下降，含铌的低合金钢研究得以深入。近年来V、Ti、Nb 复合微合金化的研究成为人们关注的焦点。在微合金钢中采用复合微合金化结合控轧、控冷工艺，通过控制复合加入的微

合金元素有钢中的存在形式以及在加热、轧制和冷却过程中的溶解析出行为来影响钢的强韧性效果。十几年来鞍钢为中国造船工业、石油化工、压力容器、汽车制造、水电、桥梁、工程机械制造、热电设备制造等行业提供了近70个新钢种。基本满足市场需求，部分产品已走向国际市场。近年来，鞍钢工艺技术装备得到了根本的改造，开发生产的低、微合金钢种也逐步向低碳、高纯净度、工艺优化方向发展。

2.2.1 建筑用钢的开发与应用

鞍钢开发的建筑用钢类产品含钒的主要有预应力混凝土用高强度精轧螺纹钢筋，这是利用Si、Mn、Mo、V多元合金化及轧后控冷工艺开发出的735／980MPa级钢筋，当前性能已达到800／1000MPa 级水平，牌号为AJL800，该产品已生产2万余吨，分别用于黄河东明大桥、风陵大桥、兰州大桥、长江江津大桥、江阴大桥、重庆嘉陵江黄花园大桥、吉林松花江临江门斜拉桥、广东番禺珠江大桥、珠海大桥等大跨距桥梁以及十余省公路、高速公路、航道及金温、成昆铁路中桥梁数十座。在举世闻名的三峡工程中　32mm，800／1000MPa级钢筋被选为永久船闸工程用高强锚杆。表3是AJL800钢筋力学性能。

表3 AJL800钢力学性能(含钒≥0.16%)

力学性能 σ0.2Mpa σb MPa δ5% 性能值 ≥735 ≥980 ≥7

2.2.2 工程机械用钢开发应用

鞍钢在八十年代就开发出σb590-980MPa级高强钢板，当时还没建成厚板轧机，利用中板轧机生产50mm以下正火和调质处理板。九五期间，鞍钢建成了4300mm宽厚板轧机和热处理线，产品规格扩大到100×3800×25000mm规格，强度水平可达到1270MPa，可生产HRC40以上的可焊耐磨钢板，在厚板控冷设备不断改善的前提下，利用V、Ti、Nb复合作用相继开发了厚度30mm以下590MPa、685MPa级控轧控冷板，钢板具有良好的强韧性。 在引进美国卡特彼勒公司工程机构制造技术后，鞍钢先后开发研制了IE0669、IE0170、IE0963、IE0860、IE0921、IE0679等6个牌号钢种，生产量约4500吨，应用于推土机、装载机主传动结构件上，解决了卡特彼勒公司原材料供应问题。

2.2.3 桥梁用钢开发应用

最早开发出的低合金钢高强度桥梁用钢是16Mnq，80年代末在16Mn基础上开发研制了15MnVNq，屈服强度增加到410MPa以上，由于加入了V和N，配合相应的轧制与热处理制度，实现了晶粒细化与弥散强化，该钢具有高强度、高韧性、焊接性能优良的特点，应用于九江大桥工程上。以铌进行微合金化通过控轧控冷工艺开发出的新钢号16MnNb也用于厦门海沧大桥，1995年完成了11000吨产量。随着鞍钢厚板轧机设备进一步改进，控冷能力加强钢的综合性能得到进一步提高。

2.2.4 钒在石油管线钢中的应用

鞍钢1992年开始立项研制管线钢，但因设备条件制约，1997年前未能批量生产。1997年以后随着鞍钢技术改造的深入，管线钢开始大批量生产。到目前为止鞍钢已在原来的1700老生产线生产了约2万吨位X56以下钢级的管线钢，在1780新生产线生产了1万多吨X70以下钢级的管线钢。钒在X56以上钢级得到了较好的应用。

①合金成分设计依据

管线钢要求具有足够高强度和韧性的良好配合，低的韧脆性转变温度，高的平台能(CVN)以及良好的焊接性与耐蚀性，这与其它用途微合金钢相比要求更为全面、更为严格。为了高质量地生产管线钢，采用了降碳、提锰的成分设计方案，并加入铌、钛微合金元素与控轧控冷工艺相结合的模式，成功地生产了X52以下钢级的管线钢。在此基础上加入钒，试制出了X56、X60、X65、X70等高钢级的管线钢，其中X60卷板已通过专家评审，预计X70卷板将在2000年内进行评审。微合金元素使用的具体思路如下：

a 未溶解的铌、钛、钒的碳、氮化合物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏的晶粒

长大；

b 未溶解的碳、氮化合物可阻碍奥氏体再结晶；

c 在轧制中有些合金碳、氮化物会在位错、亚晶界、晶界上沉淀以进一步阻碍动态再结晶和轧后静态再结晶的产生；

d 在γ-α相变中发生相间沉淀、形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化的作用；

e 轧制时形成的高密度位错被碳化物钉扎，会拉大位错运动的阻力。

铌是取得良好的控轧效果的最有利的微合金元素。其含量的最佳配比是管线用钢研究的关键。

钛的化学活性很大，易和碳、氮、氧、硫等形成化合物。钛与氧亲合力很强，所在在铝镇静钢中经充分脱氧后，才用来作合金元素。钛还可以作为钢中的硫化物变性元素使用，以改善钢板的纵横性能差。

钒的溶解温度较低，与铌相比阻止再结晶的作用较弱，仅在900℃以下对再结晶才起推迟作用，具有轻微的细化组织作用和一定沉淀强化作用。 ②X52-X70钢级热轧板卷的化学成分

鞍钢试制的X52-X70钢级轧板卷的化学成分要求如表4所列，微合金元素铌、钒、钛单独加入或复合加入及钒的加入量根据强度的韧性要求决定。

表4 X52-X70钢级热轧板卷的化学成分

钢级 C Si Mn P S Nb V Ti 其它 ＜X52 - 无 X56 无 X60 有 X65 有 X70

≤ 0.10

≤0.3.5

≤ 1.50

≤0.020

≤0.005

≥ 0.01

≥ 0.01

≥0.005

有

③X52-X70热轧卷板力学性能 鞍钢实际生产的X52-X70管线钢的实物性能见表5，可见钒的加入不仅提高了强度，而且降低了屈强比。屈强比高是含铌管线钢固有特征，且随

屈服强度的提高而增大，有时可超过0.90。钒的

加入使钢在等同的屈服强度下较不加钒的钢具有更高的抗拉强度，从而降低了屈强比。

表5 X52-X70钢热轧板卷的力学性能

钢级 σs MPa σb MPa σs /σb δ5% CVN.J(-20℃横向)

10×10mm

＜X52 400-500

≤0.92 X56 430-520 500-610 X60 475-525 560-640

X65 500-580 605-670 ≤0.91

X70 530-590 650-705 ≤0.90

满足API 5L 可达到的最佳值为：160J

管线钢产品水平在一定程度上代表了一个钢

厂的产品综合水平，目前鞍钢经过不断地改造，已具备生产X70以上级别等高韧性大直径管线钢的生产能力。可为西气东输做出贡献。

2.2.5 汽车用钢的开发应用

汽车用钢要求有较高的强韧性和焊接性及冷成型性。为了满足这种要求，钢种设计采用了低碳微合金化技术途径。鞍钢近十几年来开发出了

09MnVTiN、06TiL、08Til、10TiL、SX65等热轧汽车大梁板，其中SX65为σb≥640MPa 双相钢，可使大梁板减重15%，利用P 的固溶强化作用开发出了含磷深冲高强度冷轧板P1、P2和P3及10PTi 钢，并开发了汽车轮辋钢和σs≥350MPa 和σb≥350MPa 的冷成型结构用15Ti 冷轧板及冷轧退火双相钢SX55。以上汽车用新钢种已在制作汽车大梁、油箱底壳、前围、保险杆等几十种难冲件上进行大量应用试验，效果良好，鞍钢现在正在成为重要的

汽车用钢生产基地。

2.2.6 铁路用钢的开发与应用

鞍钢研制较早的轨道用钢主要是50SiMnP轻轨和U71Mn中锰钢轨和U74SiMnV耐磨钢轨。在50SiMnP基础上添加微量铌而开发出来的中碳微合金化轻轨56Nb，其使用较50SiMnP提高1.5倍以上，广泛用于矿山、森林、中小工厂的铁路铺设上，其中铌的加入不仅细化了晶粒，也强化了铁素体。

铁路用钢的另一部分是车辆用钢，这一类钢不仅要考虑其机构性能要求，同时要满足耐大气腐蚀要求。鞍钢自80年代以来相继开发了10CrNiCuP、15MnCrCu、08CuP、08CuPVRE等系列耐大气腐蚀钢，为铁路车辆建设做出了很大贡献。

2.2.7 锅炉压力容器及舰船用钢的开发应用 锅炉压力容器对钢的性能要求较严，对钢的内外质量要求较高，有时要求时效冲击、中高温强度、持久强度和蠕变性能等，多数钢种属于低合金高强度钢，鞍钢开发和正在开发的钢种有12SiMoVNb、12SiMoVNbA1耐氢氨腐蚀和耐高温硫腐蚀用容器钢。15MoVA1化学工业塔用钢，以及12Cr1MoV、16MnNbR、15Mo3、15CrMo、15MnVR、15MnVNR、09Mn2VPR、06MnVA1等锅炉 压力容器用钢。鞍钢已有多年生产舰艇钢的历史，所开发的系列舰艇用钢在水面及水下舰船中大量应用。为满足国内船厂建造出口船舶的需求，自1995年以来开发并完善了A、B、D、AH32、AH36、DH36等钢种的研制与生产，并已取得CCS、ABS、DNN、GL、LR、KR、BV 等七国船级社的认证。高强船板基本上以铌、钒、钛微合金化配合控轧控冷工艺进行生产，充分利用现代冶金原理，发挥了钢材的潜能。

综上所述，鞍钢根据市场需求已在不同领域开发了很多低、微合金化钢种，利用钒、钛、铌等合金元素的物理冶金性能结合较先进的工艺装备技术生产出一定量的低、微合金钢。在开发应用过程中加深了对微合金元素的认识。

3 低、微合金化钢在鞍钢的应用开发前景 自1975年第一届国际微合金化钢会议至今已近30年，在此期间微合金化钢取得了重大进展，其优越性得到了广泛的承认，微合金化钢强韧性机理结合现代工艺装备技术得到了极大的发挥。鞍钢经过“八五”、“九五”的大规模技术改造，现已完全淘汰了平炉，实现了全转炉生产，1997年至1999年来先后建成数台大板坯连铸机，为实现全连铸打下了基础，特别是1780机组的投产标志着鞍钢热连轧产品达到世界一流水平，同时1700机组将改造成最先进的连铸连轧短流程，冷轧酸洗连轧机改造工程也已开始。炉外精炼工程也在开展，“九五”技改完成后，鞍钢将实现全转炉炼钢加炉外精炼，连铸比达90%以上，板管比达75%以上，60%的产品质量可达到国际先进水平，市场竞争力明显增强，微合金化钢、低合金钢品种的开发将向低碳、高纯净度发展，发展控轧控冷型钢种，充分发挥微合金化元素作用，实现连铸及热装热送，提高生产率，节能降耗，可以预言鞍钢低、微合金化钢前景非常广阔。

参考文献

［1］东涛等著，《铌在钢铁中的应用》，中信美国钢铁公司(北京)，1999.6，39

［2］曹荫之等著，《新三级钢筋推广暨钒氮微合金化技术研讨会论文集》，中信金属公司，2000.2，1 ［3］龙春满，《庆祝鞍钢成立五十周年—鞍钢的昨天、今天与明天》，内部资料，1999.7，19

［4］潘际炎等，《优化15MnVNq桥梁用钢对九江大桥钢梁用钢的研究》，铁道部科学院研究报告，1987