釩鋼

20世紀60年代發展起來的V、Ti、Nb微合金化技術，以其顯著的技術經濟優勢，在世界範圍內獲得了廣泛的應用。微合金化技術的發展對鋼鐵工業的進步起到了巨大的推動作用，有人把它稱為20世紀鋼鐵工業領域最突出的物理冶金成就之一。經過半個多世紀的研究開發，微合金化技術，包括其合金設計原理、生產工藝、應用領域等，得到了巨大的發展和完善，微合金化鋼也已發展成為不可缺少的一類結構用鋼。在V、Ti、Nb三種微合金化元素中，一般認為V主要是通過沉澱強化來提高鋼的強度。

研究結果表明，為充分發揮V的沉澱強化作用，在含V鋼中增N是十分必要的。目前，人們已經廣泛接受了N作為V微合金化鋼中一個重要的合金元素的觀點。近年來的深入研究還證實，採用V—N微合金化，不僅能夠充分發揮V的沉澱強化作用，而且可以通過促進晶內鐵素體形核，有效細化鐵素體晶粒。V在低碳貝氏體中可產生明顯的析出強化作用。這些新成果改變了人們的傳統認識，拓展了V微合金化技術應用的領域。

中國擁有豐富的V、Ti資源，為了推動中國V微合金化鋼的發展，在回顧V鋼發展歷史的基礎上，介紹了近年來國內外在V微合金化技術方面的最新研究成果及其在高強度鋼筋、非調質鋼、薄板坯連鑄連軋帶鋼和高強度厚壁H型鋼等產品中的應用 ^[1]  。

V最早應用在工模具鋼中。19世紀末，英國謝菲爾德大學阿諾德教授研究了V在各種鋼中的合金化作用，發現V的碳化物具有高硬度以及對高温穩定性起關鍵作用，奠定了V在工模具鋼領域的應用基礎。20世紀初，研究發現，V合金化能使碳鋼的強度大幅提高，尤其是在淬火回火的工藝條件下，性能改善更為明顯，促進了V在工程用鋼中的應用。V合金化鋼的其他一些重要應用主要集中在20世紀70年代前發展起來的高温電站用鋼、鋼軌鋼以及鑄鐵等。同時，V在一些特殊鋼如工模具鋼、耐熱鋼以及各類軍工用鋼中均有着廣泛的應用。

V在鋼中應用最大的領域是高強度低合金結構鋼（HSLA鋼），也稱為“微合金化鋼”。微合金化鋼的發展始於20世紀50年代後期。隨着二戰後焊接結構的廣泛應用，C對焊接結構韌性及焊接性的不利影響凸現出來，通過增C提高鋼的強度的手段受到限制。與此同時，發現晶粒細化可以同時提高材料的強度和韌性。因此，這種新的觀點強烈刺激着新工藝和新鋼種的開發。同時人們認識到，微合金化元素的沉澱強化可以替代C的強化作用，而且使焊接性得到改善。20世紀60年代初期，美國Beth-lehem鋼鐵公司在C-Mn鋼基礎上開發了系列V-N鋼，其C、Mn質量分數上限分別為0.22和1.25，屈服強度達320～460MPa，以熱軋態供貨使用，規格包括了板、帶和型鋼的所有產品。

VAN80鋼是美國Jone and Laughlin早期（1975年左右）開發的V微合金化帶鋼，該鋼首次採用在線控制加速冷卻工藝生產，通過利用微合金析出增加了晶粒細化和沉澱強化作用，其屈服強度達到560MPa。伴隨控軋控冷技術的發展，人們在1980年左右開發了一種新的控軋工藝路線，稱為再結晶控制軋製。該工藝採用v_Ti微合金化設計，通過使每道次變形後奧氏體反覆再結晶，可以同樣達到傳統上低温控軋方法（Nb微合金化鋼）所能達到的晶粒細化效果。此工藝可採用較高的終軋温度，因此對軋機的軋製力要求較低，不但能提高生產率，還能在軋製力較弱的軋機上實現控制軋製生產。20世紀90年代發展的薄板坯連鑄連軋工藝（TSRC），促進了V微合金化技術在高強度帶鋼產品中的應用。採用V/v-N微合金化，人們在TSRC工藝下開發出屈服強度350~700MPa級的系列高強度帶鋼產品。

近年來，V微合金化技術的研究取得了一些新發展。在高N的含V鋼中，利用VN在奧氏體中的析出，促進了晶內鐵素體形核，有效地細化了鐵素體晶粒尺寸。基於這一研究成果，人們把VN晶內鐵素體形核技術（IGF）與再結晶控制軋製（RCR）工藝結合，形成了第3代TMCP工藝。採用這種新工藝，在V-N鋼中不僅發揮了V的沉澱強化的傳統優勢，還利用VN促進晶內鐵素體形核達到晶粒細化的效果，充分發揮了微合金鋼晶粒細化和沉澱強化的優點，在一些難以實現低温控軋的鋼鐵產品上，如厚壁型鋼、高強度厚板等，獲得了良好應用。瑞典的研究結果表明，V在低碳貝氏體中析出產生析出強化作用。進人21世紀，中國在低成本V-N微合金化高強度鋼筋方面的研究成果及推廣應用，有力地促進了中國V微合金化鋼的生產和應用。目前，中國400MPa級高強度鋼筋產量已經超過3000萬t，並且正是大力發展500MPa級的高強度鋼筋，顯示出釩在中國鋼鐵生產中的廣闊應用前景。

V是工模具鋼中重要的合金化元素，它是V在鋼中最早的應用領域，至今已有百餘年的歷史。V在工模具鋼中可以有效地提高產品的硬度、耐磨性、熱穩定性，已在工業生產中被廣泛地採用。在德國，V在工具鋼、高速鋼中的消耗佔釩消耗總量的1/3左右。世界各國的合金工模具鋼標準中，V一般是必不可少的合金元素，鋼中的V質量分數一般亦在0.1～3範圍內波動。

中國的合金模具鋼（包括冷作、熱作、塑料模具鋼）產品中，含V的模具鋼材佔模具鋼材產量的55。而在中國高速工具鋼標準（GB/T9943-2008）中，所有19個鋼號均含有V，其V質量分數通常在1～3，少數特殊要求的高速鋼中V質量分數達到5。

碳氮化釩的高温析出顯著提高鋼的高温持久強度，因此，V在電站用耐熱鋼領域有廣泛應用。大多數耐熱鋼的合金體系中添加V元素，其加入量（質量分數）一般在0.15～0.40。

V也是各種軍工用鋼的重要合金元素，在艦船、裝甲、航空等領域的關鍵材料上獲得廣泛的應用。

V合金化技術在艦船用鋼、裝甲鋼、飛機起落架用鋼以及導彈和火箭發動機殼體用鋼等軍工用鋼領域發揮了重要作用 ^[2]  。

N對V（C，N）析出的影響

含V鋼中增N提高了碳氮化釩的析出温度，增加了其析出的驅動力。隨N含量的增加，析出相中碳氮組分明顯變化。低N的情況下，析出相以碳化釩為主，隨N含量增加，逐漸轉變成以氮化釩為主的析出相。當鋼中N質量分數增加到0.02A時，在整個析出温度範圍，均是析出VN或富氮的V（C，N）。由於N與V更強的親和力，N的加入增加了V（C，N）析出的驅動力，促進了V（C，N）的析出。

V在高低N鋼中的相間分佈有明顯差異。低N的V鋼中，近60的V固溶於基體，只有約35的V以V（C，N）形式析出；而高N的V-N鋼中則完全相反，70%的V以V（C，N）形式析出，僅剩20的V固溶於基體中。這一結果説明，鋼中缺N的情況下，大部分V沒有充分發揮其析出強化作用，可以説是浪費了；增N後使鋼中原來處於固溶狀態的V轉變成析出狀態的V，充分發揮了V的沉澱強化作用。

含V鋼中增N後，不僅析出相數量成倍增加，而且析出相的粒度更加細小彌散，因而析出強化的效果也明顯增強。

析出強化作用

由於N在鋼中優化V的析出，顯著提高了其沉澱強化效果。各種C 含量鋼中，V（C，N）的沉澱強化效果隨N含量的增加線性遞增，最大的強度增量能夠達到300MPa。含V鋼中每增加質量分數0.001的N可提高強度6MPa以上。

N質量分數0.005的鋼中，要想獲得150MPa的強度增量，鋼中需要添加質量分數約0.1 的V；當鋼中N質量分數增加到0.01時，獲得同樣強度增量所需的V含量可降低到0.07 V的水平；若進一步增加鋼中N質量分數到0.015%，獲得同樣強度增量所需的釩質量分數可降低到0.05的水平，比N質量分數0.005 9/6鋼中所需N含量減少一半。由此可見，增N可明顯節約V的消耗，顯著降低生產成本。

V-N鋼中V（C，N）析出動力學

利用晶內鐵素體（IGF）技術來細化鐵素體晶粒已成為晶粒細化的重要手段。研究結果表明，鋼中VN和TiN質點是IGF有利的形核位置。VN鋼中由於N含量的增加，提高了V（C，N）析出的驅動力，促進了V（C，N）在奧氏體中析出，為IGF形核創造了有利條件。

鋼中增N後，V（C，N）在奧氏體中析出的動力學條件大大改善，在850～870℃的鼻點温度下，析出時間大大縮短，質量分數0.2C鋼中析出時間減少到10S之內，為V（C，N）在奧氏體中析出創造了有利的條件。而低N的V鋼中V（C，N）在奧氏體中析出是非常緩慢的，通常需要數個小時，在實際生產過程中難以發生。

奧氏體中析出的V（C，N）顆粒相對較為粗大，可以在MnS夾雜上析出，也能形成單獨的V（C，N）顆粒，尺寸範圍約在60～120nm。這類相對粗大的V（C，N）析出相對沉澱強化的貢獻很小，但能夠起到晶內鐵素體形核核心的作用，顯著細化鋼的鐵素體晶粒。

V（C，N）晶內鐵素體形核

V-N鋼奧氏體中析出的V（C，N）顆粒是晶內鐵素體形核的有效核心位置。V-N鋼中無論是MnS夾雜上析出的V（C，N）顆粒，還是單獨析出的V（C，N）顆粒，在鐵素體相變過程中，均起到了晶內鐵素體形核的核心作用。

通過利用在V（C，N）顆粒上形成晶內鐵素體的技術，V-N微合金化鋼中獲得了明顯的晶粒細化效鋼的強度水平。利用V在貝氏體中的析出，可以抵消降碳造成的強度損失，這樣在更低c含量的鋼中獲得了同樣高強度水平，改善了鋼的韌塑性。最新的研究指出，鋼中增N有助於促進V（C，N）在貝氏體中的析出，進一步提高貝氏體鋼的強度。關於V在貝氏體鋼中的應用研究工作還處於起步階段，其作用機制還有待於更深入的研究 ^[3]  。

高強度鋼筋

鋼筋是中國鋼材產品中消耗量最大的品種，約佔中國鋼產量的1/5，2011年中國鋼筋產量達到了1.54億t。為了滿足建築行業快速發展的需要，在擴大鋼筋產量的同時，加速了鋼筋的升級換代。2000年中國Ⅲ級鋼筋的產量僅為26萬t，佔鋼筋總產量的1；到2011年，中國3級鋼筋的產量已經達到約7000萬t，接近鋼筋總量的一半。高強度鋼筋的快速增長有力地推動了V微合金化技術在中國鋼鐵工業中的應用。

鋼筋這類長形材產品生產速度快，軋製温度高，通常在1000℃以上，其工藝特點決定了鋼筋的合金設計適宜採用V微合金化技術。在20MnSi鋼筋的基礎上，通過添加適量的V 或V-N，即可滿足400MPa和500MPa高強度鋼筋的性能要求。如上所述，N在含V鋼中是一種十分有效的合金元素，通過充分利用廉價的氮元素，可顯著提高V鋼的強化效果，達到節約合金用量、降低成本的目的。採用V-N合金成分優化的設計，結合冷卻工藝的控制，在相同強度水平下，V-N鋼筋中所需要的V含量比V鋼中明顯降低。

V-N微合金化400MPa高強度鋼筋中V質量分數可降低到0.02～0.04的水平，與採用V-Fe微合金化鋼筋相比較，V含量降低了一半。V-N微合金化工藝已經成為中國高強度建築鋼筋的主要工藝路線。大批量的工業化生產經驗證明，V-N鋼筋性能穩定高，其強度波動範圍能夠穩定控制在75MPa之內，達到一級抗震的要求。

非調質鋼

在中碳鋼中添加少量的微合金化元素V，依靠細小的碳氮化釩的析出，強化鐵素體一珠光體組織，從而達到傳統的調質鋼所要求的強度水平。這是非調質鋼合金設計的一個基本原則。

各國開發的非調質鋼均採用了V微合金化技術。根據強度級別的不同，非調質鋼中釩的添加量（質量分數）一般在0.06～0.20。

為了有效地發揮V的沉澱強化作用，非調質鋼中增N是必要的。研究結果表明，非調質鋼中增N至0.015～0.020對提高鋼的性能十分有益。N在非調質鋼中主要起3方面的作用：

1）促進V的析出，提高沉澱強化效果；

2）細化晶粒；

3）提高TiN的穩定性。

細化晶粒作用包括兩個方面：一是由於相變過程中V（C，N）的析出，阻礙了鐵素體晶粒長大；另一重要原因是高N_V鋼中由於VN或V（C，N）在奧氏體內析出，促進了晶內鐵素體（IGF）的形成。

s在非調質鋼中的作用是顯著的。適當提高S含量，一方面能提高非調質鋼的切削性能，另一方面，形成的MnS粒子能作為V的誘導析出核心。S與V的複合作用效果與V在非調質鋼中的存在形式有非常密切的關係。當鋼中V、N含量偏低時，V在MnS夾雜物上形核析出的温度降低，析出數量減少，同時析出物中為晶格常數a更大的富C的V（C，N）粒子。理論上，為保持與鐵素體結構的共格關係，晶格常數a較小的富N 的V（C，N）粒子，其與BCC結構的錯配度更小，更有利於鐵素體形核。因此，在保持S和V含量的同時，提高非調質鋼中的N含量，可明顯改善晶內鐵素體的調控效果。Furuhara等觀察到，在不同尺寸的MnS條件下，MnS+V（C，N）複合析出物促進晶內鐵素體的形核能力明顯高於MnS或MnS+VC的析出物，具有較為理想的誘發形核能力。

TiN對控制奧氏體晶粒長大的有效作用，TiN技術在高韌性非調質鋼中廣泛應用。為了充分發揮TiN的細化晶粒作用，要控制鋼中Ti、N含量接近理想化學配比（3.42：1），並加快鋼液凝固速度，使鋼中析出的TiN顆粒體積分數達到最高、尺寸最小。非調質鋼中採用TiN技術通常只需進行微鈦處理，Ti添加量為0.010～0.015。試驗結果已證明，N對提高TiN釘扎奧氏體晶界的效果起有益作用。當鋼中N含量水平超過Ti/N理想配比時，TiN釘扎晶界的作用更有效。鋼中增N降低了TiN顆粒在高温奧氏體中的溶解，阻礙了顆粒長大，從而提高了TiN顆粒的穩定性。

薄板坯連鑄連軋高強度帶鋼

薄板坯連鑄連軋工藝與傳統熱軋帶鋼工藝存在很大差異。首先，薄板坯連鑄連軋工藝因其近終形和快速凝固的特點，包晶區成分的鋼（C質量分數0.07～0.15）無法採用此工藝生產，而這一成分範圍恰恰是傳統HSLA鋼的典型成分。為了適應工藝條件的要求，薄板坯連鑄連軋技術生產的高強度鋼大多采用低碳含量設計（C質量分數低於0.07）。其次，傳統的高強度熱軋帶鋼主要採用了Nb微合金化技術，通過對含Nb鋼的控軋控冷依靠晶粒細化和沉澱強化來提高鋼的強度。但對薄板坯連鑄連軋工藝，含Nb鋼因鑄坯裂紋問題造成了生產上的困難，這一問題至今仍未能得到很好的解決。

另外，國際上薄板坯連鑄連軋生產線主要採用電爐工藝來冶煉。電爐鋼中較高的N質量分數（0.008～0.010）不僅加劇了含Nb鋼連鑄坯形成橫向裂紋的傾向，而且由於Nb（C，N）在奧氏體內的析出，減弱了Nb的細化晶粒效果並降低Nb的強化作用。針對薄板坯連鑄連軋工藝的上述特點，其合金設計的原理必須作出相應的調整。V-N微合金化技術的發展為高強度薄板坯連鑄連軋產品的開發開闢了一條有效的途徑口。目前，國際上針對薄板坯連鑄連軋工藝開發的系列HSLA鋼採用V-N微合金化的技術路線。

屈服強度為350～550MPa級的薄板坯連鑄連軋高強度鋼均採用了低碳（<0.07）和V-N微合金化的合金設計技術路線。對較低強度級別的鋼（350～450MPa），採用V-N合金系就能夠滿足要求。而對550MPa級的高強度鋼，在V-N微合金化的基礎上，添加了微量的Nb，它在不損害熱塑性的前提下進一步細化鐵素體晶粒，顯著提高了鋼的強度 ^[2]  。

V是高速鋼、合金工模具鋼、高温電站用鋼等特殊鋼品種中重要的合金化元素，這也是V在鋼中應用最早的領域，至今已有百年的悠久歷史。V在該領域應用的技術成熟，應用面也很廣。隨着中國特鋼行業的不斷髮展，V在該應用領域將保持增長的趨勢。

V微合金化高強度低合金鋼是目前V在鋼中應用的最大領域，其應用水平是衡量一個國家/地區鋼鐵品種結構發展水平的標誌。近年來，中國含V高強度低合金鋼研究開發與生產應用取得了明顯進展，V微合金化技術在高強度X65/X70管線鋼、N80級無縫油井管、高強度Ⅲ級鋼筋、高強度H 型鋼和角鋼、非調質鋼、鋼軌鋼等系列產品中已獲得廣泛應用。但是，與國際先進水平相比，V在中國鋼鐵品種上的消耗強度仍然存在很大差距。目前，中國鋼鐵產品中V消耗強度不足30g/t，約為世界平均水平的一半，與西方工業發達國家先進水平（80～90g/t）差距更大。由此也可以看出，V合金化技術在中國鋼鐵工業中推廣應用存在巨大的發展空間和廣闊應用前景。

V微合金化技術方面的最新研究進展也為含V鋼的發展提供動力。如V-N微合金化技術的研究，使N成為含V鋼中一種經濟有效的合金化元素，通過充分發揮廉價N元素的作用，優化了V在鋼中的析出，增強了V的細晶強化和沉澱強化的作用，顯著提高了鋼的強度，節約了V的用量，明顯降低了鋼的成本。目前，V-N微合金化技術的研究成果已經得到人們的廣泛認可，在中國高強度鋼筋、非調質鋼、高強度無縫鋼管、高強度大型角鋼等品種成功應用，有力地促進了中國V 微合金化鋼的發展。

V（C，N）晶內鐵素體形核技術與再結晶控制軋製技術相結合，形成了新一代TMCP工藝，在發揮含V鋼傳統的析出強化作用的同時，依靠VN在奧氏體中析出起到的晶內鐵索體形核作用，有效細化了鐵素體晶粒。該技術在發展高強度厚截面H 型鋼、高強度厚鋼板等品種上獲得良好應用。V-N微合金化和V-Nb複合微合金化的合金設計與薄板坯連鑄連軋工藝技術相結合，改變了人們對傳統帶鋼產品的認識，開發出強韌性匹配良好的高強度超細晶鐵素體-珠光體組織的帶鋼新產品，屈服強度級別達到550～650MPa。中國目前是世界上薄板坯連鑄連軋生產線裝備最多的國家，產能超過3000萬t。V-N微合金化技術在高強度薄板坯連鑄連軋帶鋼產品上的成功應用對中國同類產品結構的發展有重要的指導意義。此外，其他一些新的研究成果，包括V在貝氏體鋼中的強化作用、V在TRIP鋼和BH鋼中的應用、V的吸H效應提高鋼的耐延遲斷裂性能等等，也將有助於擴大V在鋼中的應用領域 ^[2]  。

中國製造業水平的提高和快速發展對鋼鐵品種提出了更高要求。為了滿足我國日新月異的工業化需求，各種工業設備和結構大型化和超大型化的要求日益迫切，服役環境越來越嚴苛。在鋼鐵品種級別不變的情況下，必然要求不斷提高鋼鐵產品的厚度或直徑，以滿足設備或結構的安全性要求。這不僅帶來了材料採購和製造成本的迅速增加，也帶來了設計和加工的困難，同時設備和結構的使用風險也陡增。因此，為滿足中國工業化進程的巨大需求，及鋼鐵行業的自身產業結構升級的需要，鋼鐵品種的升級換代仍是中國未來5～10年內重要戰略目標之一。合理利用V（微）合金化的技術、經濟優勢一直是鋼鐵產品升級換代的重要技術思路之一。中國鋼鐵品種結構的調整為含V鋼的發展提供廣闊前景 ^[3]  。