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铌作为微合金化元素的历史Lutz MeyerSüdstraße 11, 46562 Voerde, Germany摘要：本论文作为2001年铌国际会议“铌作为微合金化元素的应用”的开幕词，略述了迄今为止铌作为微合金化元素的发展历史，着重阐述了利用铌作为微合金化元素的经济优势及其自中厚板钢到现代汽车工业用高级钢的发展的几个里程碑。
另外，本文也指出了钢铁工业设备的进步和冶金界的研究机构和个人做出的巨大贡献。
1 引言对钢来说，毫无疑问铌是最重要的微合金化（MAE）元素。
每年，世界上生产几百万吨铌合金钢，用在当今社会最重要的领域。
在介绍迄今为止铌作为微合金化元素的发展历史之前，首先必须回答两个问题：— 什么是微合金化元素？— 铌如何成为一个很好的微合金化元素？人们可以将钢定义为通过与几种元素合金化而具有一些特定性能的铁产品。
除了它的化学成分，包括成形和热处理在内的钢的加工工艺也起了很重要的作用。
传统的合金元素通过改变铁的结构来影响钢的性能。
当合金含量达到0.5%到20%的时候，可以得到想要的效果，比如提高强度，拥有更好的韧性或抗腐蚀性。
加入的金属有锰、铬和镍。
微合金化的作用基本上各不相同（见图1）。
它们并不改变铁的结构，而是与其中的碳和氮有很强的相互作用。
微合金化元素与碳氮之间高的亲和力引起基体中的第二相析出。
在溶解状态下，但主要还是以析出物的形式，微合金化元素对钢的显微组织产生重要影响，从而影响钢的重要性能如韧性和强度。
即使10-3到10-1%这样低的浓度就足以彻底地改变钢的机械性能，因此微合金化元素这个词是恰当的。
1963年，瑞典人Norén先于美国船结构协会第一次使用“微合金化元素”这个词，很快全世界都开始使用。
虽然是“微合金化元素”，但它却产生了“巨大的效应”。
非常低含量10-3到10-1%与碳、氮和硫相互作用基体中第二相沉淀对组织和性能的巨大影响通过加工工艺和热处理控制溶解和析出反应图1 微合金化元素的特点对生产成本一直很敏感的C - Mn或低合金低碳钢，使用微合金化元素要满足一个更重要的要求——它们的价格不能超过普通低碳钢可以接受的合金化成本。
铌在特殊钢中的应用中信微合金化技术中心专家委员会孟繁茂摘要本文综述了铌在特殊钢中的应用，重点介绍了铌、钒、钛的冶金特性及其应用原理，提出铌在我国特殊钢品种结构调整、性能优化的应用及其重要性。
关键词铌、微合金化、特殊钢Niobium Application In Special SteelsMENG Fanmao(Expert Committee of CITIC Microalloy Technology Center)Abstract This paper discusses Niobium application in sp ecial steels and introduces the metallurgical characteristics of Nb, V, and Ti and related application theories. It also voices the i mportance of Nb in the aspects of product mix adjustment and proper ty optimization of special steels.Key Words Niobium, Microalloying, Special Steels一、迎接WTO的挑战WTO就要来临了，我国即将加入世贸，这是大好形势。
“山雨欲来，风满楼”，各行各业都在准备迎接世界经济洪流进入我国市场的挑战。
特钢行业也不例外。
近期，关于特殊钢生产现状和特殊钢如何发展的专论文章，连篇累牍。
问题的焦点是我国特殊钢怎样赶上世界先进水平；不外乎引进先进的冶金装备、改造旧设备，实行集约化生产等等。
本文诣在介绍铌在特殊钢中应用和产品性能优化成果，开发新品种趋势，为我国的特殊钢的生产发展，从一个侧面提供知识资源，供钢材生产厂，特钢产品制作厂以及最终用户使用，开发新产品参考应用。
二、现代钢特点现代钢生产的三大技术是材质纯净化，晶粒细化，尺寸精确化。
总第２３９期２０２１年４月 南 方 金 属ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳＳｕｍ．２３９Ａｐｒｉｌ ２０２１ 收稿日期：２０２０－０７－１４；修订日期：２０２０－０８－１５ 作者简介：严 明（１９６６－），男，１９９１年毕业于辽宁本溪冶金专科学校炼钢与铁合金专业，工程师。
文章编号：１００９－９７００（２０２１）０２－００２５－０３Ｎｂ Ｔｉ Ｎ微合金化生产ＨＲＢ４００Ｅ的实践严 明（阳春新钢铁有限责任公司，广东阳春５２９６２９）摘 要：介绍了采用铌钛氮微合金化技术研制开发ＨＲＢ４００Ｅ钢筋的生产工艺和产品性能。
实践证明，采用铌钛氮复合合金替代钒氮合金生产ＨＲＢ４００Ｅ钢筋，不仅其力学性能良好，而且具有低成本优势。
关键词：铌钛氮复合合金；ＨＲＢ４００Ｅ钢筋；力学性能；低成本中图分类号：ＴＧ３３５．６４ 文献标志码：ＢＰｒａｃｔｉｃｅｏｆＰｒｏｄｕｃｉｎｇＳｔｅｅｌＨＲＢ４００ＥｂｙＮｂ Ｔｉ ＮＭｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇＹＡＮＭｉｎｇ（ＹａｎｇｃｈｕｎＮｅｗＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｃｈｕｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，５２９６２９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｔｅｅｌｂａｒＨＲＢ４００ＥｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｉｔｈＴｉ Ｎｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＩｔｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｂａｒｓｍａｄｅｏｆＮｂＴｉ ＮａｌｌｏｙｉｎｓｔｅａｄｏｆＶ Ｎａｌｌｏｙｈａｖｅｎｏｔｏｎｌｙｇｏｏｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｕｔａｌｓｏｌｏｗｃｏｓｔａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｉｏｂｉｕｍｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｌｌｏｙ；ｂａｒＨＲＢ４００Ｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｌｏｗｃｏｓｔ０ 前言铌、钒、钛是重要的微合金化元素，在ＨＲＢ４００Ｅ螺纹钢生产过程中，绝大多数钢厂使用的是钒元素，个别钢厂使用铌元素，极少数钢厂使用钛元素。
奥氏体不锈钢稳定化元素1.引言1.1 概述奥氏体不锈钢是一种重要的金属材料，在工业和日常生活中有广泛的应用。
它具有较高的耐腐蚀性能、优良的机械性能和良好的可塑性，被广泛应用于化工、石油、医疗、航空航天等领域。
而稳定化元素则是在制备奥氏体不锈钢过程中的一个关键因素，它可以对不锈钢的微观结构和性能产生显著影响。
稳定化元素的主要作用是通过抑制奥氏体向铁素体相转变，减少奥氏体晶粒的形成和长大过程，从而提高奥氏体不锈钢的稳定性和耐腐蚀性能。
常见的稳定化元素包括钛（Ti）、铌（Nb）、钽（Ta）等。
这些元素一般以氮化物、碳化物等形式存在于奥氏体不锈钢中，通过与铬（Cr）等元素相互作用，形成稳定的化合物，阻碍奥氏体相的转变。
稳定化元素的加入不仅可以抑制奥氏体的相变，还可提高奥氏体不锈钢的抗氧化性能和高温强度。
稳定化元素的效应是通过改变奥氏体相对于铁素体相的稳定区与稳定性之间的平衡关系来实现的。
通过适当选择和控制稳定化元素的加入量和加工工艺，可以使奥氏体不锈钢具有更高的耐腐蚀性能和更好的高温稳定性。
然而，稳定化元素的加入也会带来一些问题，其中之一是可能降低奥氏体不锈钢的冷加工性能。
因此，在设计和制备奥氏体不锈钢时，需要综合考虑稳定化元素的作用与限制，以实现优化的性能和应用效果。
综上所述，稳定化元素在奥氏体不锈钢中起着重要的作用，可以提高材料的稳定性和耐腐蚀性能。
随着材料科学和工程技术的发展，对奥氏体不锈钢稳定化元素的研究和应用还存在着一定的挑战和潜力。
未来的研究可以进一步深入理解稳定化元素与奥氏体不锈钢性能之间的关系，并开发新的稳定化元素及其合金化设计，以满足不同领域对奥氏体不锈钢稳定性和耐腐蚀性能的不断需求。
1.2文章结构文章结构部分：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，首先对奥氏体不锈钢进行概述介绍，包括其定义和主要特点。
接着，说明了文章的结构和目的，以便读者对文章的内容和结构有一个清晰的认识。
各种合金元素在钢中的作用为了改善和提高钢的某些性能和使之获得某些特殊性能而有意在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。
常用的合金元素有铬、镍、钨、钒、钛、铌、锆、钴、硅、锰、铝、铜、硼、稀土等。
磷、硫、氮等在某些情况下也起到合金的作用。
（1）铬（Cr）铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。
含量超过12%时，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，还增加钢的热强性。
铬为不锈钢耐酸钢及热钢的主要合金元素。
铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和端面收缩率。
当铬含量超过15%时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。
含铬钢的零件经过研磨容易获得较高的表面加工质量。
铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
焊铬的弹簧钢在热处理时不易脱落。
铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。
在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。
（2）镍（Ni）镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。
一般地讲，对不需调质处理而在轧钢、正火或退火状态使用的低碳钢，一定的含镍量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。
据统计，每增加1%的镍约可提高强度29.MPa。
随着镍含量的增加，钢的屈服强度比抗拉强度提高的快，因此含镍钢的比可较普通碳素钢高。
镍在提高刚强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。
对于中碳钢，由于镍降低珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于镍降低共析点的含碳量，因而和相同的碳含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含镍的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高。
反之，若使钢的强度相同，含镍钢的碳含量可以适当降低，因而能使钢的韧性和塑性有所提升。
镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。
名词解释合金元素：指为了使钢获得所需要的组织结构、物理、化学和力学性能而添加在钢中的元素。
微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右时，就能显著地影响钢的组织与性能的若干元素。
奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ-Fe的元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W等铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能γ-Fe不稳定的元素Cr，V，Si，Al，Ti，Mo等原位析出：指在回火过程中，合金渗碳体转变为特殊碳化物。
碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。
如Cr钢碳化物转变离位析出：含强碳化物形成元素的钢，在回火过程中直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，如V，Nb，Ti。
（Ｗ和Mo既有原味析出又有异位析出）网状碳化物：热加工的钢材冷却后，沿奥氏体晶界析出的过剩碳化物（过共析钢）或铁素体（亚共析钢）形成的网状碳化物。
热脆：指当某些钢在1100-1200度进行热加工时，分布与晶界的低熔点的共晶体熔化而导致开裂的现象。
冷脆：指材料在低温条件下的极小塑变脆断。
水韧处理：将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物完全溶入奥氏体，然后在水中快冷，从而获得获得单相奥氏体组织。
（水韧后不再回火）超高强度钢：用回火M或下B作为其使用组织，经过热处理后抗拉强度大于1400 MPa （或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢，均可称为超高强度钢。
晶间腐蚀：晶界上析出连续的网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区成为微阳极而引发的腐蚀。
应力腐蚀：奥氏体或马氏体不锈钢受张应力时，在某些介质中经过一般不长的时间会发生破坏，且随应力增大，发生破裂的时间也越短，当取消应力时，腐蚀较小或不发生腐蚀，这种腐蚀现象称为应力腐蚀。
n/8规律：当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，……原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也显著下降。
一、判断题1、提高铸坯质量的措施，主要是采用提高铸坯柱状晶的比率。
（）2、小方坯使用刚性引锭杆时，在二冷区上段不需要支承导向装置，而二冷区下段需要导板。
（）3、等表面温度变负荷冷水是指二冷区各段给水量保持不变而达到铸坯表面温度均衡的目的。
（）4、钢水凝固过程中的收缩包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三部分。
（）5、CAS—OB工艺是指在钢包内吹氩搅拌并合金化。
（）6、浇注过程中结晶器水突然压力上升，流量减少的原因是水管破裂或脱落。
（）7、铸坯含C量小于或等于0.17%时，方能允许进冷库冷却。
（）8、结晶器长度，主要取决于拉坯速度，结晶器出口安全坯壳厚度和结晶器的冷却强度。
（）9、全面质量管理的五大要素是人、机、料、法、环。
（）10、炼钢中[Si]+[O2]=（SiO2）是吸热反应。
（）11、含碳量在0.17～0.22%的碳素钢铸坯对热裂纹的敏感性最大。
（）12、事故冷却水的水流量应不小于正常水流量的1/5。
（）13、事故冷却水的冷却部位有结晶器冷却水和机械闭路水。
（）14、连铸计算贡控制系统的基本结构形式有主机控制和程序控制两种类型。
（）15、按正弦方式振动的结晶器，其结晶器内铸坯的平均拉速为结晶器振幅×振动频率。
（）16、钢水的浇注温度就是液相线温度。
（）17、CaF2在结晶器保护渣中主要起到调节碱度作用。
（）18、弧形连铸机的铸坯变形量=铸坯厚度×1/弧形半径。
（）19、弧形连铸机铸坯夹杂物往往聚集在1/4处的内弧位置。
（）20、连铸二冷水冷却强度越大，铸坯中心等轴晶越发达，而柱状晶越窄。
（）21、径电磁搅拌的铸坯等轴晶率提高，柱状晶率降低。
（）22、普碳钢按技术条件所分的甲类钢是指保证化学成份，但不保证机械性能的钢。
（）23、钢包底吹氩透气砖放在底面正中比放在偏心处搅拌效果要好。
（）24、中间包永久层损坏修补后马上即可投用。
（）25、中包修砌前必须检查包壳及耳轴是否有损坏，发现损坏必须进行焊补后方可上线使用。
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(%) 9400.0365.823.8946.00.4892 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。
微合金化元素钛、钒、铌的特性近年来，钢中添加微合金化元素的重要性备受关注，并通常被视为现代钢种的一大特点。
因此可以预见，随着新钢种的开发，微合金化元素的使用会越来越多。
“微合金化”即是指这些元素在钢中的含量很低，通常低于0.1%（重量百分比）。
和钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是有目的的加入钢中以改善钢材的性能。
合金化元素和微合金化元素不仅在合金含量上有明显的区别，而且其不同的冶金效应也各有特点：合金化元素主要是影响钢的基体；而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。
钢的可焊性、成型性和断裂韧性要求较少的非金属夹杂（氧化物和硫化物），并希望残余夹杂以球形状态存在。
因此低氧和低硫是现代钢的必要条件。
另外，铝脱氧的钢水脱氧的标准工艺。
在钢凝固后，未结合成氧化铝的残留铝将形成氮化铝。
这一古典的微合金元素析出物细化晶粒的效应已被使用了50多年。
其它微合金添加元素如钙或稀土元素，由于对硫化物形态的控制的作用也广为人知。
除了上述这些影响非金属夹杂物的元素外，自1960年代以来，钢中单独或复合加入一些碳化物和氮化物形成元素也对钢的发展产生了重要影响。
元素的潜势根据各元素在周期表中的位置，可以大致确定其对钢的性能产生何种可能的影响。
图4.176显示出4-6周期的Ⅳa-Ⅵa族的化学元素。
这些元素因为其熔点很高通常被称为“难熔金属”。
它们不仅具有高的熔点，而且具有形成氮化物和碳化物趋势。
这种趋势从图中右上角向左下角方向逐渐增强；而且形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。
除形成氮化物和碳化物的倾向外，第Ⅳa族元素还具有更高的形成氧化物和硫化物的倾向。
另一方面，Ⅵa族元素与非金属化合物的亲合力比Ⅳa族和Va族元素低，此外他们的碳化物具有正斜方体或六角体的晶体结构。
这种结构与Ⅳa族和Va族元素的面心立方结构碳化物相比较，不太可取，面心立方和钢的立方体基体有一定的共格性，这可能对钢的性能有益。
高考--常考元素--钒副族（钒、铌、钽）钒副族单质(1)物理性质熔点较高，同族中随着周期数增加而升高；单质都为银白色、有金属光泽，具有典型的体心立方金属结构。
纯净的金属硬度低、有延展性，当含有杂质时则变得硬而脆(2)化学性质室温下：钒：不与空气、水、碱以及除HF 以外的非氧化性酸发生作用。
2 V＋12 HF ＝2 H3VF6＋3 H2↑4 V＋5 O2＝2 V2O5(＞933 K)V ＋2 Cl2＝VCl4(加热)铌和钽：只与HF 作用；溶于熔融状态下的碱中高温下：同许多非金属反应2、钒副族元素的重要化合物1 氧化物五氧化二钒(V2O5)橙黄色或砖红色固体，无臭，无味，有毒。
微溶于水，溶液呈淡黄色。
玻璃中加入五氧化二钒可防止紫外线。
(1)弱两性氧化物，以酸性为主，溶于冷、强碱生成无色正钒酸盐，溶于热、强碱生成黄色偏钒酸盐，V2O5＋6 NaOH ＝2 Na3VO4＋3 H2O （冷）V2O5＋2NaOH ＝2 Na3VO3＋H2O （热）溶于强酸，生成淡黄色含钒氧离子（VO2+）的盐：V2O5＋6 H2SO4＝(VO2)2SO4＋H2O(2) 中强氧化性V2O5＋6 HCl ＝2 VOCl2＋Cl2＋3 H2O(3)制备:①工业制法：用氯化焙烧法处理钒铅矿。
V2O5＋2 NaCl ＋1/2 O2＝2 NaVO3＋Cl2用水浸出偏钒酸钠，将溶液酸化，得到红棕色水合五氧化二钒沉淀析出。
煅烧，得到工业级五氧化二钒。
偏钒酸铵热分解法2 NH4VO3＝V2O5＋2 NH3＋H2O③三氯氧化钒的水解2 VOCl3＋3 H2O ＝V2O5＋6 HCl2 含氧酸盐钒酸盐的氧化性VO2＋（在强酸性溶液中有氧化性）VO2＋（钒酰离子黄色）＋Fe2＋＋2 H ＋＝VO2＋（亚钒酰离子蓝色）＋Fe3＋＋H2O该方法可用于氧化还原容量法测定钒。
2 VO2＋＋H2C2O4＋2 H＋＝2 VO2＋＋2 CO2↑＋2 H2O3 各种氧化态的钒离子VO2＋（钒酰离子黄色）＋Fe2＋＋2 H ＋＝VO2＋（亚钒酰离子蓝色）＋Fe3＋＋H2O2 VO2＋＋H2C2O4＋2 H＋＝2 VO2＋＋2 CO2↑＋2 H2O2 VO2＋＋Zn ＋4 H＋＝2 V3＋(绿色) ＋Zn2＋＋2 H2O2 VO2＋＋3 Zn ＋8 H＋＝2 V2＋(紫色) ＋3 Zn2＋＋4 H2O。
钒合金的产品特性与使用简介微合金化技术的发展，加入微量铌、钒、钛等元素后可以显著改善钢的性能，并具有巨大的经济优势，因此钒元素常称为钢铁工业的味精，钒合金在钢铁工业中应用广泛。
钢铁工业常用的钒合金有钒铁、钒氮合金等。
近年来，随着多元钒合金应用技术的研究，又有钒铝、钒铬、硅钒铁、氮化钒铁与氮化硅钒铁合金相继开发成功，尤其氮化钒铁和氮化硅钒铁合金在低合金高强度钢的生产应用中比钒氮合金更有明显优势。
1、钒合金生产工艺钒铁是氧化钒经过脱氧还原后得到的钒合金，还原剂通常用金属铝与金属硅，前者可以制备不同钒含量的钒铁，钒含量从20%～85%均可；后者一般情况下只能制备钒含量较低的钒铁，钒含量从20%～60%均可。
硅钒合金是用金属硅做还原剂处理氧化钒，得到的含硅钒合金。
钒氮合金是经过碳热还原--渗氮工艺生产的钒合金，还原剂主要是各种含碳物料，钒含量一般在70%～80%。
氮化钒铁是钒铁的深加工产品，是将钒铁研磨成粉末，然后渗氮得到的含氮钒合金。
氮化硅钒铁是将硅钒铁直接渗氮得到的含氮含硅钒合金，或者将钒铁、硅铁研磨成粉末混合均匀，再渗氮处理得到的含氮含硅钒合金。
生产工艺最简单的是钒氮合金，钒铁与硅钒合金相当，氮化钒铁与氮化硅钒铁相对复杂。
2、钒合金性质(1)合金密度(比重)由大到小的顺序：钒铁→氮化钒铁→硅钒铁→氮化硅钒铁→钒氮合金。
(2)合金熔点由大到小的顺序：钒氮合金→氮化钒铁→钒铁→氮化硅钒铁→硅钒合金。
(3)合金在钢水中的溶解性能从易到难的顺序：硅钒合金→氮化硅钒铁→钒铁→氮化钒铁→钒氮合金。
(4)合金在钢水中的均匀化速度从快到慢的顺序：硅钒合金→氮化硅钒铁→钒铁→氮化钒铁→钒氮合金。
(5)合金元素在钢水中的偏析度从小到大的顺序：硅钒合金→氮化硅钒铁→钒铁→氮化钒铁→钒氮合金。
(6)钒合金的成分偏析从小到大的顺序：钒氮合金→一步法工艺生产的钒铁→两步法工艺生产的钒铁→硅钒合金→氮化钒铁→氮化硅钒铁。
(7)钒合金的物相组成钒铁：钒铁固溶体，除此之外还有少量的杂质。
钒及钒产品情况介绍1.钒的应用冶金行业（1）钒钛铸铁钢锭模。
钒钛元素在铸铁中具有强化作用，钒钛铸铁具有良好的高温强度、抗氧化性和耐热疲劳性。
钒钛铸铁钢锭模比不含钒钛铸铁钢锭模的利用寿命提高24倍，钒钛铸铁是制造钢锭模的理想材料。
（2）铸铁轧辊。
钒在铸铁轧辊中的作用在于增加激冷层的厚度和轧辊表面的硬度，提高轧辊的表面质量。
含有碳化钒粒子的硬表面，使轧辊在热轧热循环时，不易产生表面裂纹。
另外，钒能细化铸铁中的石墨，从而增加铸铁的强韧性，使铸铁轧辊在轧钢时耐冲击能力提高。
（3）铸钢轧辊。
钒能细化铸钢轧辊的晶粒，从而提高轧辊的韧性，使铸钢轧辊在轧钢时耐冲击能力提高。
（4）耐磨件。
耐磨件的耐磨性很大程度上有赖于钢中碳化物的类型、颗粒度、数量及散布。
在碳化物形成元素中，含Cr．W．Mo．V 钢的抗磨损能力之比为2：5：10：40。
所以添加钒的耐磨件利用寿命明显提高。
工、模具行业高碳钢中的钒与其它合金元素如Cr、W、Mo等,在铸造进程中形成硬质初始碳化物，这些碳化物在高温下较稳定，在随后的锻造和热处置时，大部份维持不溶，它们是冷成形模和工具耐磨性和切割性的基础。
除初始碳化物之外，一些钒还处于固溶状态，有助于提高工、模具的淬透性和强韧性；钒以细小的二次碳化物析出，可以进一步提高耐磨性。
通过调整化学成份和热处置工艺，可以取得性能普遍的产品。
（1）高速钢。
作为切削工具的高速钢需要红硬性，即刀刃在600℃以上还能维持锋利。
高速钢铸造时形成的碳化钒和热处置时析出的二次碳化物颗粒知足这种需要。
（2）热作模具钢。
热作模具在利用进程中要受到高温、高压、高冲击载荷的作用，要求热作模具钢具有高的强韧性、高的热稳定性、比较高的高温强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。
为了知足这些要求，要求模具表面具有高硬度而心部高韧性的特点，热作模具钢中的钒可以提高钢的淬透性，从而改善钢的韧性，而表面的碳化物可以保证其耐磨性。
（3）冷作模具钢。
冷作模具在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部份受到强烈的磨擦和挤压，所以冷作模具钢应有高的硬度、强度和耐磨性。
微合金化元素钛、钒、铌的特性近年来，钢中添加微合金化元素的重要性备受关注，并通常被视为现代钢种的一大特点。
因此可以预见，随着新钢种的开发，微合金化元素的使用会越来越多。
“微合金化”即是指这些元素在钢中的含量很低，通常低于0.1%（重量百分比）。
和钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是有目的的加入钢中以改善钢材的性能。
合金化元素和微合金化元素不仅在合金含量上有明显的区别，而且其不同的冶金效应也各有特点：合金化元素主要是影响钢的基体；而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。
钢的可焊性、成型性和断裂韧性要求较少的非金属夹杂（氧化物和硫化物），并希望残余夹杂以球形状态存在。
因此低氧和低硫是现代钢的必要条件。
另外，铝脱氧的钢水脱氧的标准工艺。
在钢凝固后，未结合成氧化铝的残留铝将形成氮化铝。
这一古典的微合金元素析出物细化晶粒的效应已被使用了50多年。
其它微合金添加元素如钙或稀土元素，由于对硫化物形态的控制的作用也广为人知。
除了上述这些影响非金属夹杂物的元素外，自1960年代以来，钢中单独或复合加入一些碳化物和氮化物形成元素也对钢的发展产生了重要影响。
元素的潜势根据各元素在周期表中的位置，可以大致确定其对钢的性能产生何种可能的影响。
图4.176显示出4-6周期的Ⅳa-Ⅵa族的化学元素。
这些元素因为其熔点很高通常被称为“难熔金属”。
它们不仅具有高的熔点，而且具有形成氮化物和碳化物趋势。
这种趋势从图中右上角向左下角方向逐渐增强；而且形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。
除形成氮化物和碳化物的倾向外，第Ⅳa族元素还具有更高的形成氧化物和硫化物的倾向。
另一方面，Ⅵa族元素与非金属化合物的亲合力比Ⅳa族和Va族元素低，此外他们的碳化物具有正斜方体或六角体的晶体结构。
这种结构与Ⅳa族和Va族元素的面心立方结构碳化物相比较，不太可取，面心立方和钢的立方体基体有一定的共格性，这可能对钢的性能有益。
有效影响钢的显微组织结构的析出质点是在热加工和热处理过程中形成的，由此要求微合金化元素要首先固溶在基体中。
某一化学元素在钢基体中的固溶能力取决于该元素原子尺寸与铁原子尺寸之差。
表4.48给出了各种难熔元素的原子半径。
由于与铁原子半径相差很大。
强烈碳化物和氮化物形成元素如锆，铪等基本不溶于钢中，因此对改变钢的显微组织结构没有实用性。
表4.48 难熔元素原子半径（nm）元素原子半径nm 与铁原子半径差%Ti 0.147 +14.8V 0.136 +6.2Cr 0.128 =0Zr 0.160 +25.0Nb 0.148 +15.6Mo 0.140 +9.4Hf 0.168 +31.3Ta 0.148 +15.6W 0.141 +10.2综合以上考虑，根据化学和物理性能原因，一般不把Vla族元素及锆、铪作为有效的碳氮化物形成元素。
此外，钽由于稀有和昂贵的价格也限制了它的广泛应用。
因此，在钢中实际可利用的微合金化碳一氮化形成元素也就集中在钛、钒、铌了。
溶解度积非金属化合物溶解和生成的平衡条件是由其溶解度积来描述的。
如前所述，钛是有很强的形成氧化物、硫化物以及氮化物和碳化物趋势的元素。
图4.177归纳了几种钛化物的溶解度积。
可以看出其氧化物在液态阶段已经形成。
就大多数钢的典型氮含量水平而言，甚至钛的氮化物在凝固前或凝固过程中也已形成。
在钢液中形成的这些颗粒可以被分离到钢渣中，对钢的性能没有影响。
如果这些颗粒不进入钢渣中，由于其形成温度高，颗粒相对粗大，应视为对钢的塑性有破坏性的有害夹杂物。
由于颗粒尺寸大，其细化显微组织结构的能力大大降低。
但是，由于钛可以形成TiO和TiN减少了钢中自由氧和氮的含量，因此，钛仍有好的作用。
因为自由的氧和氮对钢的韧性是有害的。
例如，自由氮（Nf）损害钢的冲击转变温度（FATT）可根据下面公式算出：ΔFATT=700√N f ,可以看出，30ppm左右的自由氮将使冲击转变温度升高380C。
氧氮或钛含量越低，形成TiO或TiN的温度也越低，析出物的尺寸也就越小。
均匀分布的和稳定的质点可以控制奥氏体晶粒的尺寸，这种作用通常用于热轧前再加热过程和焊接热影响区晶粒的细化。
在凝固后的较低的温度下，钛和硫反应形成硫化物和碳硫化物。
类似地也可能形成任何钛的氧化物，此时要考虑钢中各种成分对氧的活度的影响，特别是铝和硅元素的影响。
锰含量对任何钛的硫化物形成都有很强烈的影响。
由于钛的碳硫化物比锰的硫化物在热变形温度下具有更高的硬度，因此，在标准生产中低硫含量还未普及时，钛曾一度用于硫化物形态控制。
最后需要强调的一点是，如果有足够的钛，则钛的碳化物是在低温奥氏体区或γ/α转变之后才形成的。
另外，钛在铁素体中也可能形成磷化物。
图4.178归纳了钛、钒、铌三种元素在奥氏体中形成氮化物和碳化物的自由能。
它显示了获得这些化合物的可能性大小。
由于钛的氮化物是在较高温度下形成的，并且实际上不溶于奥氏体，因此这种稳定的化合物起着在高温下控制晶粒尺寸的作用，对此，上面已经议论。
在另一方面，钒的氮化物和碳化物在奥氏体区内几乎完全溶解，因此对控制奥氏体晶粒不起作用。
钒的化合物在γ/α转变过程中或之后析出。
在这样低的温度下形成的析出物非常细小，产生析出强化，提高钢的性能。
钛的碳化物及铌的氮化物和碳化物的溶度积均在这些极限之间，表明这些化合物均可在上奥氏体区域内溶解并在低温下重新析出。
图4.179可以用来做如下的定量分析。
图中显示了在同一温度下NbC和TiC在上奥氏体区和下奥氏体区的溶解等温线，并与VN在下奥氏体区两个溶解度等温线的比较。
9000C 等温线代表正火处理或类似热处理时获得的情况，12000C等温线则代表热变形前再加热时的典型情况。
以具有典型的0.15%碳含量的钢种在9000C正火温度处理为例，几乎所有的铌都是以NbC析出物的形态存在。
对于TiC也是如此，只是它在奥氏体中的溶解度比NbC稍高一些。
这些析出物在奥氏体晶界处的钉扎作用使γ/α转变后铁素体晶粒得到细化。
这一结论在其它文章中已总结过。
12000C等温线证明，对于一种含碳量在0.08%左右的典型热机械轧制高强度低合金钢（HSLA），铌可溶解到高达0.08%，钛可溶解到高达0.11%。
在奥氏体中固溶的这些微合金化元素成分是实施阻止奥氏体再结晶的热机械处理工艺的基础。
VN的溶解度等温度（钒的碳化物具有更高的溶解度）表明，所有微合金元素钒即使在奥氏体区也全部溶解于固溶体中，尤其是考虑到铝与氮的亲和力相对更强的情况下更是如此。
推迟再结晶—溶质原子的拖曳作用用浓度积所描述的平衡状态一般在热处理过程，如热变形工艺之前的均热过程中都可达到。
正如其它所有元素一样，在钢中固溶的微合金化元素阻止所有的扩散控制过程。
这种推迟作用随着这些元素的原子尺寸和铁原子尺寸之间的差别增大而越来越强烈。
铌是最有效的微合金化元素。
这种溶质原子拖曳作用有助于在热机械轧制过程中的晶粒细化效应，它是通过如下两种方式实现的：（1） 在道次间隔时间内防止二次晶粒长大。
（2） 阻止再结晶开始；由于铌碳化物析出，整个再结晶的初始阶段就被阻止了。
图4.180的研究结果证明了这一观点。
在热轧过程中，平衡状态是不可能达到的，因此在终轧温度下固溶体中保留下来的微合金化元素的数量要比依据溶度积计算得出的值要大一些，在热轧板材和带材中得到的定量结果在其它文章中已有结论。
另一个由于微合金化元素溶质原子的拖曳作用被推迟的扩散控制反应是γ/α相变，这种推迟可对钢的性能产生正面或负面影响，是正面还是负面影响取决于钢的各种化学元素组成。
在具有低碳贝氏体组织的钢中，由于针状贝氏体晶粒的进一步细化，淬透性的提高可增加钢的强度和韧性。
另一方面，当钢的组织不是铁素体加珠光体而是大量粒状富碳贝氏体时，淬透性的提高对钢的韧性有不良影响。
由于碳氮化物的析出有相反的、促进相变的作用，使本来就复杂的情况变得更加复杂。
如图4.181所示，在9000C加热温度下存在的NbC质点由于奥氏体晶粒细化促进铁素体的转变。
当在12500C奥氏体化时，相对高的铌含量（0.06%）将被溶解并阻止铁素体的转变。
11000C的中等奥氏体化温度曲线清楚地显示了已溶解的0.03%Nb的作用和具有较多的高铌含量残留析出物的作用。
碳氮化物所有钛、钒、铌的氮化物和碳化物都是面心立方，彼此可完全互溶。
因此，他们的碳氮化物可能以复合形态存在。
不同化合物具有不同的性能，图4.182对比了可能的六种纯化合物在室温下的晶格常数和密度。
这些化合物大多数是在钢的固态阶段形成的，因此密度在微合金化钢中并不重要。
但是在较高添加量的情况下，如在工具钢或耐磨铸铁中，要使他们均匀分布，一次碳化物必须有与钢液相近的比重。
在这种特殊情况下，已经证明，复合添加铌和钒可以生成一种比重约为7g/cm3的铌钒复合碳化物。
这些析出物的晶格常数直接影响析出强化引起的强度增量。
我们将在下面作一详细的讨论。
碳氮化物同时具有的另外一个显著作用，即通过细化晶粒改善钢的强度和韧性以前已讨论。
析出物的形核与其过饱和度及析出物所含元素的扩散速度有关。
随着温度的降低过饱和度增大、扩散速度降低。
因此，时间—温度——形核曲线通常遵循抛物线规律，在某一温度下具有最短的时间。
晶界形核先于在位错位置的形核更先于基体本身内的均匀形核。
析出反应的动力学遵循正常的形核、析出和Ostwald质点长大的顺序。
可用Avrami 公式描述。
强度增量取决于析出物的数量和粒子尺寸两个因素。
如图4.183所示。
直径1-2nm的析出物对析出强化是非常有效的质点。
这样细小的质点界面与钢的基体是共格的。
这些质点是典型的在r/α相变过程中或相变后在铁素体相中形成的。
温度提高和冷却速度减慢，碳氮化物趋向长大并与钢的基体形成非共格关系。
析出强化的冶金学机理将从切割质点的塑性变形变为位错成环绕开质点。
这种“过时效”的质点由于其非共格特性和较大的质点尺寸，提高强度的效果相对要小。
除了未被溶解的质点，如TiN，它可能有1微米那么大，在热加工或热处理时在奥氏体中形成的析出物更粗大到直径约20nm，因此他们对析出强化的作用是有限的，其主要作用是细化显微组织。
图4.184总结了微合金化元素Ti、V、Nb在铁素体中产生析出强化的潜力。
它适用于很宽碳含量范围的钢，并只考虑了靠析出强化产生最大强度增量的热处理条件。
共格质点和铁原子（0.28nm）之间的晶格常数差别越大，在碳氮化物析出质点周围产生的应力场也越来越大。
正如所料，微合金化元素的析出强化效果和其晶格常数大小的顺序有关。
因此和钒相比，要达到相同的弥散强化效果，用1/2的铌就可以。
但是，铌的这种较强的强化作用又受到了其在奥氏体中形成析出物倾向的限制，若同时发生形变，更促进这种析出物的析出倾向。
