謝元林

01　引言

釩屬于稀有金屬，具有熔點(diǎn)高、密度?。ㄢC是V族元素中Z輕的金屬，在十個(gè)高熔點(diǎn)金屬中也是Z輕的一個(gè)金屬）的特點(diǎn)。大多數(shù)釩存在于釩鈦磁鐵礦中。釩在地殼中的存在量很小(質(zhì)量比為0.023%)，但微量的釩在鋼中卻可發(fā)揮顯著的性能改善作用。

釩在冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。不過(guò)，現(xiàn)在生產(chǎn)的釩絕大多數(shù)還是應(yīng)用在冶金工業(yè)中，將其作為鋼中重要的微合金化元素和合金化元素來(lái)提高鋼的性能。鋼中添加釩可以提高鋼的強(qiáng)度、改善鋼的韌性和塑性，改善鋼的工藝性能，提高釩鋼制品的服役性能等。目前，釩廣泛地應(yīng)用于高強(qiáng)度熱軋帶肋鋼筋、高強(qiáng)度低合金鋼、微合金非調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、超高強(qiáng)度鋼、模具鋼、高速鋼、馬氏體耐熱鋼、不銹鋼等鋼種中。

02　釩在鋼中的行為及主要作用

釩在鋼中的行為

釩在化學(xué)元素周期表中的位置決定了其化學(xué)性質(zhì)。釩在化學(xué)元素周期表上位于第4 周期、第VB族，其3d 層電子數(shù)為3，是強(qiáng)碳化物和氮化物形成元素。釩具有體心立方結(jié)構(gòu)，在任何溫度都可以固溶在鋼中。鋼中含有一定量的碳和氮，它們會(huì)與釩化合，以碳化物、氮化物，或者碳氮化物形式在鋼中析出。固溶和析出的釩會(huì)影響組織演變，這些組織特征將會(huì)影響到鋼的各種性能。

在氮含量低的情況下，碳氮化釩在奧氏體中的溶解度積比碳化鈮要高得多。在900℃以下，碳氮化釩可完全溶于奧氏體中，此外釩在奧氏體中的固溶度大于在鐵素體中，因此，釩的主要作用是在γ/α轉(zhuǎn)變過(guò)程中的相間析出和在鐵素體中的析出強(qiáng)化。從固溶度積就可以認(rèn)識(shí)到釩在鋼中的作用。

釩在鋼中的作用

釩在鋼中的主要作用是：

（1）細(xì)化鋼的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，從而降低過(guò)熱敏感性，并提高鋼的強(qiáng)度和韌性。

（2）當(dāng)在高溫溶入奧氏體時(shí)，增加鋼的淬透性；相反，如以碳化物存在時(shí)，卻會(huì)降低鋼的淬透性。

（3）增加淬火鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。

(4) 碳化釩和氮化釩在奧氏體中的固溶度積較高。因此，在高溫時(shí)不易產(chǎn)生由于析出所導(dǎo)致的裂紋，在凝固過(guò)程中，鋼坯出現(xiàn)裂紋的趨勢(shì)較小。

(5) 碳氮化釩的析出溫度較低，固溶在奧氏體中，晶界遷移的拖拽力低。這將有利于奧氏體再結(jié)晶，容易實(shí)施再結(jié)晶控軋，沿鋼材截面組織均勻。在很寬的溫度范圍內(nèi)，能得到均勻再結(jié)晶晶粒，終軋溫度對(duì)力學(xué)性能影響不大。相比較其它微合金鋼和合金鋼而言，含釩鋼的軋制抗力較小，與碳錳鋼相當(dāng)。

(6) 在鐵素體或馬氏體中析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用，一般在鐵素體中的析出強(qiáng)化增量在50MPa～100MPa。通過(guò)提高鋼中氮含量可以促進(jìn)釩的析出，獲得更大的析出強(qiáng)化效果。這在高強(qiáng)度熱軋帶肋鋼筋的生產(chǎn)中是一項(xiàng)好技術(shù)，達(dá)到節(jié)約釩的使用量，提高析出強(qiáng)化量的作用。

(7) 釩與氮的結(jié)合力強(qiáng)，可以形成氮化釩，有利于減少鋼材的應(yīng)變時(shí)效，這一特性對(duì)于經(jīng)歷了冷變形的鋼筋在服役過(guò)程中很重要。

(8) 馬氏體鋼中添加釩可以增大鋼的抗回火軟化性能，使鋼在回火過(guò)程中保持馬氏體板條形態(tài)，或者在回火過(guò)程中析出碳化釩，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。

03　釩在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

在鋼中加入釩一方面起脫氧與脫氮的作用，另一方面可改善鋼的性能，Z終達(dá)到降低生產(chǎn)成本或降低鋼材使用量的目的。目前釩絕大部分用作鋼的添加成分，以生產(chǎn)高強(qiáng)度低合金鋼、高速鋼、工具鋼、不銹鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。釩鋼具有強(qiáng)度大，韌性、耐磨性及耐蝕性好的特點(diǎn)。廣泛用于機(jī)器制造、汽車、航空、鐵路運(yùn)輸工具、橋梁等行業(yè)。

釩在高強(qiáng)度低合金鋼中的應(yīng)用

釩的很大一部分都用于生產(chǎn)高強(qiáng)度低合金鋼。向普通低合金鋼中添加釩，可提高其正火后的強(qiáng)度、屈服比及低溫韌性，改善鋼的焊接性能，因此成為普通低合金鋼的一種比較理想的合金化元素。在低溫結(jié)構(gòu)鋼中也可應(yīng)用釩合金化技術(shù)來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和韌性。在普通高強(qiáng)度低合金鋼中，一般釩含量為0.04%～0.12%，個(gè)別達(dá)到0.16%～0.25%。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，釩主要用來(lái)細(xì)化晶粒和提高鋼的強(qiáng)度。因?yàn)樵谝话銦崽幚項(xiàng)l件下釩會(huì)起到降低鋼的淬透性的作用，所以在結(jié)構(gòu)鋼中，它通常是和錳、鉻、鉬和鎢幾種元素中的一種或兩種配合使用。釩在合金結(jié)構(gòu)鋼中的含量一般為0.07%～0.30%，個(gè)別達(dá)到0.40%～0.50%。

以高強(qiáng)度抗震鋼筋為例，HRB400、HRB500熱軋帶肋鋼筋已經(jīng)廣泛采用釩微合金化技術(shù)?用這種成熟的微合金化技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼筋具有良好的綜合性能，其具有的主要優(yōu)點(diǎn)是: 強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度不小于400MPa，抗拉強(qiáng)度不小于570 MPa；碳當(dāng)量不大于0.50%，焊接性能好，適應(yīng)各種焊接方法；強(qiáng)屈比(抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比)不小于1.25；良好的強(qiáng)度與塑性配合，彎曲性能好；具有較高的高應(yīng)變低周疲勞性能、較低的應(yīng)變時(shí)效敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，抗震性能好。

釩在合金工模具鋼中的應(yīng)用

釩作為合金元素的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是合金工模具鋼。釩在合金工模具鋼中，既細(xì)化晶粒、降低過(guò)熱敏感性，又增加回火穩(wěn)定性、耐磨性，從而延長(zhǎng)工模具的使用壽命。在常用的熱作模具鋼(H13)和冷作模具鋼(D2)中，釩是主要的二次硬化元素。釩在工模具鋼中的含量通常在0.1%～5%的范圍內(nèi)波動(dòng)；但也有釩含量更高的工模具鋼，比如美國(guó)開(kāi)發(fā)的A11冷作工具鋼的釩含量竟達(dá)到9.75%。釩是高速工具鋼中不可缺少的合金元素之一，高速工具鋼一直以來(lái)都是釩的主要消費(fèi)鋼種。釩在含鎢高速工具鋼中能阻止晶粒長(zhǎng)大，提高鋼的紅硬性和切削能力，增大耐磨性，Z終起到延長(zhǎng)高速工具使用壽命的作用。

在德國(guó)，釩在工具鋼、高速鋼中的消耗占釩消耗總量的1/3 左右。中國(guó)的合金模具鋼（包括冷作、熱作、塑料模具鋼）產(chǎn)品中，含釩的模具鋼材占模具鋼材產(chǎn)量的55％。而在中國(guó)高速工具鋼標(biāo)準(zhǔn)（GB/T9943-2008）中，所有19 個(gè)鋼號(hào)均含有釩，其釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在1％～3％，少數(shù)特殊要求的高速鋼中釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5％。

釩在耐熱鋼中的應(yīng)用

釩在耐熱鋼中可形成高度彌散的碳化物和氮化物微粒，這些微粒在較高的溫度下聚合長(zhǎng)大極其緩慢，因而可以提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性和抗蠕變性。

碳氮化釩的高溫析出顯著提高鋼的高溫持久強(qiáng)度，因此,釩在電站用耐熱鋼領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。大多數(shù)耐熱鋼的合金體系中添加V元素，其加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般在0.15％～0.40％。

釩在不銹鋼中的應(yīng)用

釩在不銹鋼中也有很多應(yīng)用。在不銹鋼中釩含量一般在0.1% ～1.5% 之間；其中UNS S42700Cr-Mo-V 馬氏體不銹軸承鋼含有1.10%～1.30%的V，UNS S42800 Cr-Mo-V 馬氏體不銹軸承鋼含有0.90%～1.15%的V，在馬氏體不銹鋼90Cr18MoV中含有0. 07%～0.12%的V。

釩在彈簧鋼中的應(yīng)用

釩能提高彈簧鋼的抗彈性減退性能，提高彈簧鋼的強(qiáng)度和屈服比，特別是比例極限和彈性極限，還可以降低熱處理時(shí)鋼的脫碳敏感性，從而提高鋼的冶金和表面質(zhì)量。鉻和釩配合使用的50CrVA 彈簧鋼是典型的高級(jí)優(yōu)質(zhì)彈簧鋼品種，其釩含量為0.10%～0.25%。30W4Cr2VA 鋼中含0.50%～0.80%釩，可用于制造工作溫度為500℃的耐熱彈簧。

釩在軸承鋼中的應(yīng)用

軸承鋼自上世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)一直沿用含鉻軸承鋼。我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的GSiMnV、GSiMnMoV、GMn-MoVR等含釩軸承鋼，含0.15%～0.30%釩。這些含釩軸承鋼的碳化物彌散度大，使用性能良好，用其制造的軸承的壽命超過(guò)含鉻軸承鋼制造的軸承。但這些鋼脫碳傾向較嚴(yán)重，加工性能較差，尚有待改進(jìn)。

釩在耐蝕合金中的應(yīng)用

釩在Hastelloy 耐蝕合金中得到了一定程度的應(yīng)用，Hastelloy B合金含≤0.60%V，Hastelloy C、HastelloyC22、Hastelloy C276 合金含≤0.35%V，Hastelloy N 合金含≤0.50% V，Hastelloy W 合金含≤0.60%V。

由于釩有一種促進(jìn)生成σ相的傾向，很小程度提高或不提高合金的強(qiáng)度或穩(wěn)定性，因而在現(xiàn)代鎳基高溫合金中，除A286 合金含有（0.10～0.50）%V，IN100、IN731 合金含有1% 釩，ЭП220 合金含有0.5%～0.8%V外，一般都沒(méi)有得到應(yīng)用。

04　釩在鋼中的應(yīng)用形式及加入方法

除在碳素工具鋼中加入不大于0.05%的數(shù)量以外，釩很少作為單一合金元素加入鋼中。它總是和其它合金元素，比如錳、鉻、鎢和鉬等配合使用。

釩大部分以釩鐵形式加入鋼中。攀鋼生產(chǎn)的釩氮合金VN12、VN16 在煉鋼過(guò)程中可采用與釩鐵合金相同的加入方法，不需要采取特殊措施。對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，如不經(jīng)真空處理，通常在出鋼1/3 時(shí)直接將釩氮合金加入鋼包中，出鋼完成后進(jìn)行吹氬攪拌，以保證釩氮合金充分熔化和成分均勻；如需真空處理，則在真空處理過(guò)程中將釩氮合金加入鋼包中。通常釩、氮的收得率可以分別保持在90%和60%以上。

在滾珠鋼中，由于氮化物對(duì)其疲勞壽命危害極大，5μm大小的氮化物對(duì)疲勞壽命危害作用就相當(dāng)于20μm氧化物的危害作用，通常不適于以釩氮合金形式向滾珠鋼中加釩，除非能將氮化物細(xì)化到1μm以下。研究表明，當(dāng)?shù)锍叽缂?xì)化到1μm以下時(shí)，氮化物就不僅沒(méi)有危害作用，反而可以起到細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用。

來(lái)源：《特鋼技術(shù)》