控制细化vn析出相尺寸及数量的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】控制细化VN析出相尺寸及数量的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] V是强化铁素体和Y相区形成元素之一，它与C、N、0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。
[0003] 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Y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°C时最大，为0.10%，随 温度降低其溶解度急剧降低，如在l〇〇°C时仅0. 001%。
[0004] 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 AIN、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。
[0005] 众所周知，钢中还不可避免的存在C、0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 A1203、Ti02、V205、TiC、V 4C3、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。
[0006] 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)、"一种屈服强度彡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。
[0007] 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 为商络铸铁金属液基体和碳化物凝固的形核核心，可提商铸件的耐磨性，VN粉体纳米颗粒 起到了强化作用。
[0008] 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。
[0009] 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°C下随时间的增加则有较大改变。
[0010] 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。
[0011] 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】
[0012] 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。
[0013] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括冶炼、连铸、加热、乳制、保温和控冷的步 骤；
[0014] 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；
[0015] 所述加热步骤中，加热钢坯并在1100?1200°C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；
[0016] 所述轧制步骤中，开轧温度为1050?1120°C范围，终轧温度为890?950°C ;
[0017] 所述保温步骤中，在830?880°C范围，将轧件保温1?2. 5min，使VN大量析出；
[0018] 所述控冷步骤中，控制轧件随后冷却速度0. 7?0. 95°C /s，至550?600°C使轧件 入坑缓冷或堆冷。
[0019] 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°C?1190°C范围均热保温30?55min。
[0020] 更进一步地，所述保温步骤中，在830?870°C范围，将轧件保温1.3?2. lmin，使 VN大量析出。
[0021] 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°C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】
[0022] 以下结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细地说明。
[0023] 本发明的技术方案包括冶炼、连铸、加热、乳制、保温和控冷的步骤；
[0024] 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；
[0025] 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。
[0026] 所述加热步骤中，加热钢坯并在1100?1200°C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；
[0027] 所述轧制步骤中，开轧温度为1050?1120°C范围，终轧温度为890?950°C ;
[0028] 所述保温步骤中，在830?880°C范围，将轧件保温1?2. 5min，使VN大量析出；
[0029] 所述控冷步骤中，控制轧件随后冷却速度0. 7?0. 95°C /s，至550?600°C使轧件 入坑缓冷或堆冷。
[0030] 实施例1 :
[0031] 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 [(：]:0.39%，[0]:0.91%，[￥] :0.10%，[^:0.0119%，其余为31、]?11、六1、11、卩6和杂质；
[0032] 转炉冶炼、连铸坯尺寸：200X200mm，铸坯的加热在温度1140?1165°C范围均热 55min ；
[0033] 开轧温度1093°C，乳制Φ55πιπι圆钢，终轧温度930°C ;
[0034] 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°C范围滞留 1. 7min，使VN大量析出；
[0035] 出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0. 82°C /s，剪切、打捆后于580°C入坑缓冷。
[0036] 发明钢A中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的88. 2%。
[0037] 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；
[0038] 同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
[0039] 40CrV钢中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的27. 8%， 直径大于IOOnm颗粒占42. 5%，还有大颗粒的AIN、TiN等析出相。
[0040] 实施例2 :
[0041] 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；
[0042] 转炉冶炼、连铸坯尺寸：150X150mm，铸坯的加热在温度1100?1120°C范围均热 30min ；
[0043] 开轧温度1050°C，乳制Φ25πιπι圆钢，终轧温度890°C ;
[0044] 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°C范围滞留 2. Imin，使VN大量析出；
[0045] 出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0. 95°C /s，剪切、打捆后于550°C堆冷。
[0046] 发明钢B中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的91. 7%。
[0047] 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；
[0048] 同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
[0049] 50CrVA钢中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的42. 3%。
[0050] 实施例3 :
[0051] 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；
[0052] 转炉冶炼、连铸坯尺寸：240X240mm，铸坯的加热在温度1180?1195°C范围均热 75min ；
[0053] 开轧温度1120°C，乳制Φ70πιπι圆钢，终轧温度950°C ;
[0054] 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°C范围滞留 I. 3min，使VN大量析出；
[0055] 出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0. 70°C /s，剪切、打捆后于600°C入坑缓冷。
[0056] 发明钢C中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的80. 7%。
[0057] 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；
[0058] 同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
[0059] 60CrV钢中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的44. 3%。
[0060] 实施例4 :
[0061] 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；
[0062] 转炉冶炼、连铸坯尺寸：200X200mm，铸坯的加热在温度1140?1165°C范围均热 54min ；
[0063] 开轧温度1094°C，乳制Φ45πιπι圆钢，终轧温度921°C ;
[0064] 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°C范围滞留 1.8min，使VN大量析出；
[0065] 出密封滚道后是冷床控冷，冷却速度：0. 88°C /s，剪切、打捆后于560°C堆冷。
[0066] 发明钢D中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的86. 0%。
[0067] 作为对比钢种 50CrVA-l 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；
[0068] 同规格铸坯按此相同温度加热、开轧、终轧后，采用自然冷却。
[0069] 50CrVA-l钢中VN析出相尺寸在20?IOOnm范围的颗粒占总析出颗粒数的 48. 7%。
[0070] 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。
[0071] 表1本发明钢种与对应钢种析出相尺寸对比表
[0072]
【权利要求】
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、力口 热、乳制、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°C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°C范围，终轧温度为890?950°C ; 所述保温步骤中，在830?880°C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°C /s，至550?600°C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°C?1190°C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°C范围，将轧件保温1. 3?2. lmin。
【文档编号】C21D8/02GK104313249SQ201410527716
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】陈庆丰, 关云, 陈华强, 余爱华, 汪菊华, 张渊普, 杜方, 李献忠, 孙晶, 徐蔷药, 李伟, 万升 申请人:武汉钢铁(集团)公司