鉬在合金鋼冶煉中的應用現狀和發展前景

孫 銘

（江蘇沙鋼淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223002）

1778年，瑞典化學家發現了鉬這一化學元素，鉬是一種過渡性化學元素，金屬表面呈銀白色，它的硬度非常大，晶體結構為體心立方，它的熔點是2622攝氏度，屬于難以融化的金屬。在地球上，鉬的分布量比較少，集中分布于中國、美國、俄羅斯等國家，其中中國的鉬資源含量位于世界第二名。在煉鋼的過程中加入鉬，能夠有效提高鋼的強度和硬度，同時能夠滿足機械設備生產所用的材料需求。在國內外學者不斷對材料進行研究的背景下，鉬合金在抗腐蝕、導電、導熱、耐磨等方面突出特點被人們所熟知，因此鉬被廣泛應用于冶金、機械制造等領域。據調查結果顯示，40%的鉬資源運用冶金生產，在鐵水中加入適量的鉬金屬，起到的作用未細化鐵晶粒，起到提升鋼鐵的耐酸性和耐高溫性能。因此研究鉬在合金鋼冶煉中的應用是非常有必要的。

1 鉬在合金鋼冶煉中的應用現狀

1.1 含鉬不銹鋼

不管是鉬鐵還是工業氧化鉬，其作為煉鋼添加劑生產的下游產品主要是合金鋼，合金鋼中又以不銹鋼為主。含鉬不銹鋼主要運用于石油化工、航空航天、海洋工業等腐蝕性比較強的環境。鉬是不銹鋼中主要的合金元素之一，經過大量的實驗研究表明，鉬元素能夠提高不銹鋼的硬度和耐腐蝕性。國外專家研究了鉬在不銹鋼中耐腐蝕性能的作用，還有專家在同一侵蝕性溶液中，分析不同類型的不銹鋼的腐蝕程度。他們都分析了鉬在不銹鋼中的作用，并且提出了鉬元素在合金冶煉過程的配比。由于在合金鋼冶煉的過程中加入了鉬元素，使得合金穩定凹坑的增長變得更加困難，能夠明顯的改善合金鋼的耐腐蝕性能。在實驗的過程中，有專家發現雙向不銹鋼表現出極強的抗腐蝕性，在合金鋼冶煉的過程中加入百分之三的鉬能夠有效提高所有類型不銹鋼的抗腐蝕性，包括對于奧氏體系列不銹鋼也是一樣的。

一些學者針對加入一定量鉬合金元素的304和316兩種奧氏體系列不銹鋼進行抗腐蝕測試，所得的結果表明，鉬合金元素能夠分解部分腐蝕物質，同時擴大了試驗溶液中鈍化范圍，鉬元素含量較低的不銹鋼與鉬元素含量較高的不銹鋼在腐蝕電流密度方面要低一個級別，而在試驗溫度降低的情況下，腐蝕溶液對不銹鋼的腐蝕作用有所降低，實驗證明，不銹鋼中的鉬含量越高，不銹鋼的耐腐蝕性更強的結論。

鉬對不銹鋼的耐腐蝕性能主要包括耐點腐蝕性和抗縫隙腐蝕性。還有鉬合金元素可以提升不銹鋼的耐腐蝕性，316、317為兩種具有代表性的含鉬奧氏體系列不銹鋼。

1.2 含鉬低合金鋼

鉬元素的添加可以使不銹鋼產生穩定碳化物，累積形成的MC型碳化物，起到增強不銹鋼韌性的效果，鉬元素是一種可以激發鐵素體相變的物質。添加鉬元素的低合金鋼因其良好的抗腐蝕特性和高力學性能，在地下管道施工、大型工程項目施工中得到了廣泛應用。

國內專家對于鉬在管線鋼中的作用機制進行研究，得出隨著鉬含量的增加，鋼中針狀鐵素的數量也在不斷的增加，并且鋼的強度和硬度也在不斷的增加。這主要是因為鉬能夠有效增加鋼中碳化物的形核位置，能夠有效降低碳化物的尺寸，使得含鉬低合金鋼有比較高的強度和硬度。含Nb管線鋼在大線能量焊接的過程中，由于焊接線的工程量比較大，管線鋼的強度韌性下降比較嚴重，因此在合金鋼冶煉的過程中，需要加入一定的鉬合金元素，在焊接線工程的過程中，能夠生成有效抑制先共析鐵素體，在一定程度下，促進了貝氏體的轉變，有效提高合金鋼的硬度和韌性，有效改善管線焊接組織。除此之外，鉬合金元素還能夠增加Nb在奧氏體中的溶度積，使得Nb能夠穩定于固溶體中，能夠有效抑制碳化物的形成。

國內外專家對鉬對HSLA鋼組織和力學性能的影響規律展開了研究，也獲得了一樣的實驗結果，隨著鉬含量的不斷增加，能夠有效降低貝氏體轉變溫度自己粗晶熱影響區和臨界熱影響區裂紋尖端張開位移減少。當合金鋼中鉬含量達到百分之三十的時候，合金鋼的強度和韌性都能夠得到有效的提高。專家通過對比不同合金鋼元素的強化效果，得出Nb-Mo合金元素的鋼沉淀強化效果最好。

1.3 含鉬工模具鋼

制作工磨具鋼的過程中，所添加的元素中鉬占比較大。經過加工的磨具，可應用在動力設備、農業機械設備等行業，例如常見的熱作模具鋼有H11、H21等。其中H13是主要生產應用的鋼種。在使用熱作模具的過程中，承載著比較大的壓力，模具溫度可能會超出了其回火溫度，在冷卻的過程中，鉬合金元素能夠有效提升合金鋼的抗壓、抗熱性能。

國外專家研究了含鉬工模具鋼的高溫抗氧化性能，得出在高溫空氣中，含鉬工模具鋼的安全使用溫度可以達到750℃，而在二氧化碳高溫環境中，含鉬工模具鋼的安全使用溫度也低于500℃。部分學者通過研究得出添加鉬元素的磨具鋼在冶煉過程中可以析出一部分碳化物，所得到的磨具鋼與H13鋼相比其耐熱性能更加優良。另外有一部分人提出了Ti對鉻鉬釩模具的性能及內部組織有一定的影響作用，未添加Ti模具鋼馬氏體組織要比添加Ti模具鋼馬氏體組織更加粗糙，晶粒尺寸超過了22μm。現階段，我們使用量較大的模具鋼為H13，應該我國合金鋼冶煉企業應該不斷優化各合金元素的配置比，提高國家H13熱作模具鋼的質量和水平，才能夠更好的應用于我國社會生產的各個行業和領域。

1.4 其他含鉬合金鋼

在抗氫鋼和熱強鋼中，Cr-Mo類、Cr-Mo-V類鋼具有良好的抗熱性能和抗氫性能，有比較高耐熱性和韌性。該類含鉬合金鋼主要應用于火電行業的鍋爐和高溫高壓管道等領域。隨著煤液化等新工藝的出現，對合金鋼的質量提出了更高的要求。在合金結構鋼中，鉬合金元素能夠有效增加鋼的回火穩定性，在生產大截面鋼材的過程中，鉬可以有效增加鋼的淬透性。42CrMo鋼是合金結構剛中運用比較廣泛的鋼種，有比較好的熱穩定性和強度，可以用于制造軸承和齒輪。還有在高速鋼和耐熱鋼中，鉬也是常見的合金元素，在合金冶煉的過程中，添加鉬合金元素，能夠提高合金鋼的硬度和韌性，比如M2鋼中鉬的含量是百分之六，是最具有代表性的高速鋼，應用于生產車刀、鉆頭等高速切削工具。由于鉬能夠有效改善合金鋼的耐熱性，因此幾乎所有的耐熱剛中都包含了一定含量的鉬合金元素，比如1.25Cr-0.5Mo鋼就具有比較好的耐高溫性能和抗腐蝕性能，因此其廣泛應用于化石燃料發電、石油化工行業等。

2 鉬在合金鋼冶煉中的發展前景

據調查結果顯示，在2018中國的鋼鐵產量已經達到9.28億噸，占世界鋼鐵產量的比例超出百分之五十，中國鋼鐵的產量還在逐年增加，這表明我國鋼鐵工業在未來還有著很大的發展前景。另一項調查數據顯示，超出百分之八十的鉬資源都被應用做鋼鐵工業的合金冶煉中，中國鉬消耗量占世界鉬總消耗量的百分之四十，與鋼鐵產出量比例相比，這一比例偏低。除此之外，中國碳鋼產量占全球產量比例百分之五十二、中國不銹鋼產量占全球產量的百分之五十三，但是我國在合金鋼和不銹鋼領域，鉬的消耗量僅僅占了全球的百分之三十，目前我國不銹鋼的鉬單位平均消耗量為每噸1.1kg，國外不銹鋼的鉬單位平均消耗量為每噸2.9kg，很明顯，我國的鉬合金元素利用率遠高于國外平均值，但是與工業化發達的國家相比，還是有一定的差距，比如德國、日本、美國。

在未來，隨著石油化工、汽車行業、航天航空、化石燃料等行業的飛速發展，國內外對于合金鋼的需求量會持續增加，而在合金鋼冶煉的過程中加入鉬合金元素，能夠有效提高合金鋼的硬度、剛度、耐熱性、耐腐蝕性以及耐磨性等。以上優良特性決定了鉬在合金冶煉中所起到的重要作用。與此同時，我國是鋼鐵產能和擁有鉬資源的第二大國，因此我國應該加強對鉬在合金鋼中作用機制研究的力度，為鉬在合金鋼中作用機制研究提供資金、技術以及人才的支持，不斷提高鉬在合金鋼中的技術水平、同時還要提高鉬資源的保護力度、利用一切可以利用資源來推廣氧化鉬直接合金化工藝，解決鉬生產過程中所產生的高污染和高耗能的問題，發展高品質的鉬合金鋼是未來發展的重要趨勢。

3 結語

綜上所述，鉬資源主要運用于鋼鐵行業，鉬鐵是主要的煉鋼產品，但是鉬鐵的價格比較高昂，在一定程度上增加了合金鋼冶煉的成本，而且由于傳統鉬鐵生產工藝的原因，在合金鋼冶煉的過程中，能源消耗比較高，而且還產生了大量的硫氣體，給冶煉廠周圍的空氣和環境造成了嚴重的污染。在國內外專家的不斷研究下，有人提出了工業氧化鉬合金化工藝，這省去了鉬鐵生產的過程，能夠有效降低合金鋼冶煉的成本，工藝比較簡單，在合金鋼冶煉的過程中，加入一些堿金屬，能夠有效解決氧化鉬揮發的問題，降低環境污染。最后鉬能夠有效改善合金鋼的硬度、剛度、耐熱性、耐腐蝕性等，廣泛應用于不銹鋼、低合金鋼、工模據鋼、抗氫鋼、熱強鋼、高速鋼、耐熱鋼中，這就決定鉬在合金鋼冶煉過程中有非常廣闊的前景。