[发明专利]一种钒氮微合金添加剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产钒氮微合金添加剂及其制备方法。

技术背景

钒氮合金主要用在于冶金行业作为合金的添加剂，近几年来工业发展的迅速，大量的工业规模应用数据表明：钒加入钢中为炼钢生产带来了利益（降低再加热温度、减少横向裂纹、减少轧制负载、轧制条件对钢的特性的影响减小等），提高了钢的性能（强度、韧性、延展性、成型性、可焊接性和耐摩性能，等），从而降低了成本。这种成本的降低不仅是指钢的生产成本的降低，而且是使用这些含钒钢带来的制造成本的降低，如，建造楼房、桥梁、轮船、汽车、铁路等。在钢中加入钒，可显著改善钢的性能。实践表明，在结构钢中加入0.1%的钒，可提高强度10～20%，减轻结构重量15～25%，降低成本8～10%。若采用含钒高强度钢时，可减轻金属结构重量40～50%，比普通结构钢的成本低15～30%。

研究表明：钒加入钢中，除固溶强化作用不显著外，在以下几方面显著改善钢的性能。

① V(CN) 在奥氏体重点溶度积高，钒在低、中、高碳钢中都具有较强的沉淀强化作用。

②钒加入到钢中通过阻止加热时奥氏体晶粒的长大、抑制形变奥氏体再结晶、强化γ→α相变细化晶粒作用等途径，达到细化钢的晶粒的作用。

③钒对过冷奥氏体转变具有明显影响，研究表明，与大多数合金元素不同，钒不延迟铁素体转变而推迟贝氏体和珠光体转变。同时，钒提高钢的淬透性的作用，是同样含量的钼对淬透性贡献的二倍。

钒在焊接高强钢中，促进热影响区中铁素体的形成，从而提高焊件的韧性。在中、高碳钢中采用钒微合金化，将明显推迟珠光体转变，在同样冷却速度条件下可获得更细的珠光体，即提高了索氏体化的程度，如在硬线产品中，钒微合金化不但提高了产品的强度和韧性，而且有可能部分或全部取消铅浴处理。在钢轨产品中，为提高其使用寿命，发展了欠速淬火工艺，即SQ（Slack Quenching）工艺。试验表明，在硬度相同的情况下，珠光体比回火马氏体和贝氏体更耐磨，并且珠光体的片层间距越小，其耐磨性能越好。在钢轨中加入适量的钒，其转变曲线右移，使其在实施SQ工艺时，更易于实现组织的索氏体化。

钒氮微合金化的物理冶金原理的要点：①钢中增氮后，原来处于固熔状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用；②氮在钢中具有明显的细化晶粒的作用；③钒氮微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，大大改善了钢的强韧性配合，充分体现了微合金化在技术经济方面的优势；④采用钒氮微合金化，不需要添加其他贵重的合金元素，在热轧条件下即可获得屈服强度为550～600MPa的高强度钢。因此，钒氮合金在钢中得到广泛应用。

在微合金化钢生产中，VN 因具有节约钒的添加量，降低成本，钒、氮收得率稳定，减少钢的性能波动，比钒铁具有更有效的沉淀强化和晶粒细化作用和节约20%～40%的钒等特点，故作为一种高强度低合金钢最经济有效的添加剂，具有积极的应用价值。

随着国内外对钒氮合金（VN）研究工作的不断深入，人们充分认识到钒氮合金的有益作用。据近代材料学的研究发现，当某些钢中含有一定量的合金元素和一定量的氮时，经热处理后可使钢的性能大幅度提高。例如，氮可稳定奥氏体不锈钢，提高其耐腐蚀性能；在含V或含V+N钢中，若含有一定量的N，经热处理后生成氮化物沉淀，可促进钢的硬化，高钢的强度。钢中增氮方法通常有：①添加富氮锰铁、②添加氰氨化钙、③吹氮、④使用氮化钒铁，但这些方法都有不足之处：①昂贵；②收率低且不稳定；③吹氮时需要特殊装置。④要先生产钒铁，再固态渗氮得到氮化钒铁，制造成本高。国内外参考文献采用有①美国联合公司的真空碳还原法智取氮化钒的技术，②有流动空床或回转管(物料可连续进出)，③攀枝花钢铁公司申请了“氮化钒单推板窑生产方法”专利，④长沙隆泰科技有限公司提供了一种用工业微波炉生产氮化钒的方法，⑤韩国的YongCheol Hong在大气压下用N2 /Ar/H2 微波等离子焰分解气态的VOCl5 ,得到了含有少量V2O5 的纳米级氮化钒颗粒，⑥中国台湾的C. L. Yeh把混合均匀的钒粉和碳粉压缩后在氮气氛下引燃, 通过高温自繁殖方式( SHS)获得了钒的碳氮化物，⑦中国东北大学的Sansan Yu 把V2O3 的碳热还原和氮化两个过程整合为一个过程,即通过一步法制取了晶粒和形状都很均整的立方氮化钒。