碳氮化物析出行為對釩微合金化套管鋼屈服強度的影響

扈 立，張 旭

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

鋼的微合金化處理是通過加入鋼中的V、Nb、Ti 等微合金化元素形成細小的碳氮化物顆粒，在鋼材軋制和熱處理過程中發揮細晶強化和析出強化作用，從而改善鋼的性能[1]。研究顯示，鋼中V 元素的氮化物和碳化物溶解度差異較大，其中VN 溶解度較低，將在高溫軋制過程中析出，起到細化晶粒的作用，而VC 在奧氏體中的溶解度極高，只有在鐵素體形成之后的冷卻過程中才會析出，充分發揮析出強化作用[2]。

分析3 個鋼種生產的Φ244.48 mm×11.99 mm 110 鋼級套管的綜合力學性能，顯示出V 微合金化對鋼管強韌性的影響。參與統計的3 個鋼種主要合金元素成分見表1，屈服強度和55 mm×10 mm×7.5 mm 試樣0 ℃橫向沖擊功統計如圖1 所示。3 個鋼種套管橫向沖擊功平均值分別為77.6 J、72.7 J、73.2 J，韌性指標接近；屈服強度平均值分別為888 MPa、909 MPa、936 MPa，呈現出遞增趨勢。2 號鋼種相對于1 號添加了V 元素，同時Mo 元素含量稍有增加，在力學性能結果方面，韌性水平接近時表現出20 MPa 屈服強度增量；3 號鋼種相對于2 號鋼種而言除了降低Mn 元素含量之外，將V的目標含量由0.08%增加到0.10%，在沖擊韌性幾乎相同的情況下屈服強度進一步提高27 MPa。因此，V 微合金化能顯著提高套管的綜合強韌性能。

表1 對比鋼種主要合金元素成分（質量分數）%

圖1 不同成分套管屈服強度統計

生產實踐顯示，含V 鋼種套管產品熱處理溫度敏感性較高，管材強度隨熱處理溫度調整產生較大波動。因此，對多個規格、不同V 含量套管進行熱處理試驗，并對試驗結果進行分析研究。

1 試驗方法及結果

使用箱式熱處理爐對3 種常用含V 套管鋼進行系列熱處理試驗，回火溫度為620～690 ℃，該溫度區間為高鋼級套管常用回火溫度區間，因此該屈服強度波動性統計結果具有一定實際意義。試驗鋼種主要合金元素含量控制目標值見表2。

表2 試驗鋼種主要合金元素含量（質量分數）目標值 %

使用GALDABINI SUN100 型電子材料拉伸試驗機對試驗鋼種進行強度測試。各試驗鋼種V 含量及回火溫度區間范圍內屈服強度波動值見表3。

表3 試驗鋼種屈服強度波動-回火溫度相關性統計試驗結果

觀察數據發現，當鋼中V 含量較高時，回火強度波動較大，某些規格套管在回火溫度變化10℃時強度波動達35 MPa，為生產過程穩定控制帶來較大難度。隨著V 含量降低，強度波動程度下降。可以看出，對屈服強度波動起主要作用的是V含量，V 含量為0.07%的鋼種3 套管的回火強度在回火溫度變化10 ℃時的波動僅為27 MPa。

2 分析與討論

2.1 V 微合金化作用與N 含量的關系

加入鋼中的V 可以和C、N 分別形成NaCl 型面心立方點陣結構化合物VC 和VN，它們之間可以完全互溶，形成連續固溶體，因此在含N 鋼中不存在純粹的二元化合物VC 或VN，在有效析出溫度范圍內將形成V 的三元析出相VCxN1-x[3]。

在V 微合金化的鋼中，N 元素的存在可以最大限度發揮V 的微合金化作用，N 含量的增加能夠促進富N 的VCxN1-x在奧氏體區間析出，起到細化晶粒的作用。含V 鋼析出的VCxN1-x在溫度較高時相當接近于二元相VN，即三元析出相中C 原子的系數x非常小，直至N 元素消耗殆盡才逐漸析出富C 的VCxN1-x，由于VC 和VN 在鋼中的固溶度積相差較大，VC 在奧氏體中溶解度非常高，即使在偏低的奧氏體化溫度下也能實現完全固溶，并且在γ→α 相變過程中甚至α-Fe 基體中彌散析出，進一步發揮析出強化作用[4-5]。

140 鋼級套管鋼種（0.26%C，0.14%V）電爐冶煉工藝條件下N 含量統計結果如圖2 所示。N 含量數值分布范圍較寬，最低30×10-6、最高接近130×10-6，絕大多數位于40×10-6～70×10-6。根據VC 和VN 析出相在奧氏體中的固溶度積公式lg{［V］·［C］γ}=6.72-9 500/T和lg{［V］·［N］γ}=3.63-8 700/T[6]，可計算當N 含量為0.003 0%、0.005 5%、0.010 0%時，該140 鋼級套管鋼中VCxN1-x中系數x變化規律，計算結果如圖3 所示。結果顯示，在奧氏體高溫區VCxN1-x析出相的系數x不到0.2，化學式接近二元相VN，并且N 含量越高，高溫區域內析出相中C 原子比例越小，說明較高的N 含量有利于促進富N 的VCxN1-x（VN）析出，增強細化晶粒的效果。

圖2 140 鋼級套管鋼N 含量統計

圖3 奧氏體中析出VCxN1-x 復合相時x 值

2.2 VN 與VC 的析出行為

N 含量對V 的碳氮化物析出行為有顯著影響，γ→α 相變后富C 的VCxN1-x（VC）的析出將取決于鋼中N 含量以及受此影響奧氏體化溫度下處于固溶狀態［V］和［C］及［N］的含量[7]。根據VC 和VN 析出相在奧氏體中的固溶度積公式，以及實際冶煉條件下N 元素的平均含量0.005 5%，分別計算成分0.26%C-0.005 5%N-0.14%V 鋼中，VC 和VN 在奧氏體中的全固溶溫度，以及不同奧氏體化溫度下各元素的固溶元素含量，結果如圖4～5 所示。

圖4 VC 和VN 在奧氏體中固溶度積對比

圖4 顯示，該鋼種中VN 全固溶溫度為1 018℃，即冷卻至1 018 ℃以下才開始析出VN 相。而VC 的全固溶溫度為890 ℃，接近實際生產過程中的奧氏體化溫度，如果考慮到鋼中Cr、Mo 等合金元素的析出也需要消耗一部分C，因此用于析出VC 的可用C 含量更少，將導致VC 的全固溶溫度進一步降低，基本不會在奧氏體溫度范圍內析出。

不考慮Cr、Mo 等其他合金元素析出對C 的消耗，當奧氏體化溫度為890 ℃時，根據圖5，V、C、N 元素在鋼中仍處于固溶狀態的含量分別為0.09%、0.25%、0.000 56%。可見，90%以上的N 元素已經消耗于VN 的析出，而［C］幾乎和鋼的原始成分相同，因此在奧氏體化結束之后的回火過程中，將主要以VC 的析出為主。

圖5 0.26%C-0.005 5%N-0.14%V 鋼中元素固溶量隨奧氏體化溫度的變化規律

試驗可知，V 含量較高時，鋼管強度指標隨回火溫度變化容易出現較大波動，而調質鋼的室溫強度主要取決于微合金元素的析出強化效果[8]。因此，針對0.26%C-0.005 5%N 的鋼管，分別計算V 含量為0.06%、0.09%、0.12%、0.15%時碳化物析出行為。

不同V 含量的鋼種淬火后固溶態［C］、［N］含量隨奧氏體化溫度升高的變化趨勢如圖6 所示。可以看出，鋼中原始V 含量越高，奧氏體化（淬火）之后處于固溶態的［C］越少，這是由于較高的V 含量促進了奧氏體溫度區間內富N 的VCxN1-x（VN）析出，消耗了部分C 原子，使得可以用于析出VC 的C 含量下降。另一方面，V 元素含量的增加有利于淬火后固溶［V］的提高，促進VC 在鐵素體基體中的析出，增加析出強化效果。

圖6 不同V 含量對奧氏體化后固溶態［C］和［V］含量的影響

經過890 ℃淬火后，不同V 含量鋼中固溶態［C］、［V］含量見表4，這些仍處于固溶態的元素將在回火過程中參與VC（C 元素為主的VCxN1-x第二相顆粒）的析出。不同V 含量的鋼中VC 析出相體積分數隨回火溫度的變化情況如圖7 所示。

表4 890 ℃淬火后鋼中［C］、［V］隨V 含量的變化 %

圖7 不同V 含量鋼熱處理后VC 析出相體積分數

2.3 析出相的強化作用

第二相顆粒對基體的強化效果與體積分數f和顆粒尺寸d相關，根據第二相顆粒和滑移位錯的交互作用機制，存在切過機制和繞過機制（Orowan 機制）兩種不同的強化方式：切過機制的強化作用可以表述為ΔYS∝f1/2d1/2，而繞過機制的強化作用表述為ΔYS∝f1/2d-1·lnd。其中，ΔYS為強度增量。兩種強化方式都和析出相體積分數成正比；而析出相尺寸越大，切過機制強化效果越明顯，但Orowan 強化效果將被削弱。研究表明，鋼中大部分析出相都是依靠Orowan 機制發生強化作用[9]。因此細化析出相尺寸將有效提高強化效果，與此同時，如果析出相尺寸隨溫度升高長大速率較快，將導致強化效果隨溫度發生較大波動，從而表現出熱處理后材料強度對回火溫度的高敏感性。

考慮到微合金元素析出相的長大過程主要是溶質擴散控制在基體中均勻沉淀的第二相的長大過程，其長大速率m為[6]：

式中σ—— 析出相與鐵素體基體的比界面能，J/m2；

VP，VB—— 析出相、溶質元素的摩爾體積，m3/mol；

D—— 微合金元素在鐵素體基體中的擴散系數，cm2/s；

C0—— 微合金元素在基體中的固溶含量；

CP—— 微合金元素在二元析出相中的平衡原子濃度，CP=1；

R—— 摩爾氣體常數，R=8.314 J/（mol·K）；

T—— 熱力學溫度，K。

表5 為VC、NbC、TiC、VN 等主要析出相在公式（1）中的對應數值。回火溫度為600～750 ℃時，根據公式（1）計算回火保溫100 min 后各析出相長大速率如圖8 所示。可以看出，在相同回火溫度下，VC 顆粒的長大速度最快。進一步的，根據d=2（r0+m3·t）1/3計算VC 在不同回火溫度下保溫90 min后的析出相直徑d。其中r0為析出相變完成時的VC 顆粒初始半徑且（t為相變完成時間，按500 s 估算[6]；λ=0.04），計算結果如圖9所示。

表5 微合金第二相熱力學參數[6]

圖8 鋼中不同析出相長大速率隨溫度變化對比

圖9 VC 析出相尺寸及不同V 含量鋼中強化作用

不同回火條件下VC 析出相尺寸以及不同V 含量鋼中VC 析出強化產生的屈服強度增量如圖9 所示。根據Orowan 強化機制，析出相尺寸的較大變化將顯著影響強化效果。與此同時，鋼中V 含量大小將導致相變結束后基體中VC 顆粒體積分數的差異，產生不同程度的析出強化效果，最終表現為高V 鋼強度指標隨回火溫度變化出現較大波動。考慮到生產實踐過程中，110 鋼級以上套管的常用回火溫度為600～700 ℃，針對該范圍內不同V 含量鋼種的強度增量變化數值，可以估算出鋼中V元素含量帶來的強度波動值，結果見表6。

表6 V 含量造成的鋼的強度隨回火溫度波動速率

根據表6 估算結果，相對于V 含量為0.06%鋼種，當V 含量為0.15%時，在回火溫度變化10 ℃時將產生附加強度波動6 MPa，考慮到V 元素其他類型化合物（VN）產生的疊加強化效果，在回火溫度變化10 ℃時產生的附加強度波動總和可能接近8～10 MPa。即鋼中V 含量每增加0.03%，在回火溫度變化10 ℃時將產生附加強度波動3～4 MPa。這一估算結果與系列熱處理試驗結果基本吻合。

3 結 語

通過對不同V 含量試驗鋼種中V 元素碳氮化物析出行為的試驗研究和計算分析，得到了V 含量與熱處理后材料強度波動的大致定量關系，鋼中的V 含量每增加0.03%，在回火溫度變化10 ℃時將產生附加強度波動3～4 MPa。因此，考慮實際生產過程中套管強度指標控制的穩定性，可以根據該結果對V 微合金化鋼種進行成分優化和產品性能控制。