01

引言

釩是一種熔點高、密度低的稀有金屬(釩是V在十種高熔點金屬中，族元素中最輕的金屬也是最輕的金屬)。釩鈦磁鐵礦中大多數(shù)釩存在。釩在地殼中的存在量很小(質(zhì)量比為0.023%)，但微量釩可以在鋼中發(fā)揮顯著的性能改善作用。

釩廣泛應(yīng)用于冶金、化工、原子能、航空航天、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，目前生產(chǎn)的釩大多應(yīng)用于冶金行業(yè)，作為提高鋼性能的重要微合金元素和合金元素。在鋼中加入釩可以提高鋼的強度、韌性和塑性、工藝性能和使用性能。目前，釩廣泛應(yīng)用于高強度熱軋帶肋鋼筋、高強度低合金鋼、微合金非調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、超高強度鋼、模具鋼、高速鋼、馬氏體耐熱鋼、不銹鋼等鋼種。

02

釩在鋼中的行為及其主要作用

釩在鋼中的行為

釩在化學(xué)元素周期表中的位置決定了其化學(xué)性質(zhì)。化學(xué)元素周期表位于第4位 周期、第VB族，其3d 層電子數(shù)為3，是強碳化物和氮化物的形成元素。釩具有體心立方結(jié)構(gòu)，可在任何溫度下固溶于鋼中。鋼含有一定量的碳和氮，它們與釩化合，以碳化物、氮化物或碳氮化物的形式在鋼中沉淀。釩的固溶和沉淀會影響組織的演變，影響鋼的各種性能。

在氮含量低的情況下，奧氏體中碳氮化釩的溶解度積遠(yuǎn)高于碳化鈮。在900℃此外，釩在奧氏體中的固溶性大于鐵素體，因此，釩的主要作用是γ/α鐵素體中的相間沉淀和沉淀強化。釩在鋼中的作用可以從固溶度積中認(rèn)識到。

碳化釩和氮化釩在奧氏體中的溶解度

釩在鋼中的作用

釩在鋼中的主要作用是：

（1）細(xì)化鋼的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，降低過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性。

（2）當(dāng)在高溫溶入奧氏體時，增加鋼的淬透性；相反，如以碳化物存在時，卻會降低鋼的淬透性。

(3)提高淬火鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，產(chǎn)生二次硬化效果。

(4) 奧氏體中碳化釩和氮化釩的固溶度積較高。因此，在高溫下不易產(chǎn)生沉淀引起的裂紋，在凝固過程中，鋼坯裂紋的趨勢較小。

(5) 碳氮化釩沉淀溫度低，固溶于奧氏體，晶界遷移阻力低。這將有利于奧氏體再結(jié)晶，容易實施再結(jié)晶控軋，沿鋼材截面組織均勻。在較寬的溫度范圍內(nèi)，可以得到均勻的再結(jié)晶晶粒，最終軋制溫度對機械性能影響不大。與其它微合金鋼和合金鋼相比，釩鋼的軋制阻力較小，與碳錳鋼相當(dāng)。

(6) 沉淀在鐵素體或馬氏體中，產(chǎn)生沉淀強化作用，鐵素體中沉淀強化增量一般為50MPa～100MPa。提高鋼中氮含量可促進(jìn)釩沉淀，獲得更大的沉淀強化效果。這是高強度熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)中的一項很好的技術(shù)，可以節(jié)約釩的使用，提高沉淀強化量。

(7) 釩與氮的結(jié)合力強，能形成氮化釩，有利于降低鋼的應(yīng)變時效，這一特性對于經(jīng)歷過冷變形的鋼筋在使用過程中非常重要。

(8) 在馬氏體鋼中添加釩可以提高鋼的抗回火軟化性能，使鋼在回火過程中保持馬氏體板條形狀，或在回火過程中沉淀碳化釩，產(chǎn)生二次硬化效果。

03

釩在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

在鋼中加入釩一方面起到脫氧脫氮的作用，另一方面可以提高鋼的性能，最終達(dá)到降低生產(chǎn)成本或鋼材使用量的目的。目前釩絕大部分用作鋼的添加成分，以生產(chǎn)高強度低合金鋼、高速鋼、工具鋼、不銹鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。釩鋼具有強度高、韌性好、耐磨性好、耐腐蝕性好的特點。廣泛應(yīng)用于機械制造、汽車、航空、鐵路運輸工具、橋梁等行業(yè)。

釩在高強度低合金鋼中的應(yīng)用

大部分釩用于生產(chǎn)高強度低合金鋼。將釩添加到普通低合金鋼中，可以提高其正火后的強度、屈服比和低溫韌性，提高鋼的焊接性能，成為普通低合金鋼的理想合金元素。釩合金化技術(shù)也可用于低溫結(jié)構(gòu)鋼，以提高鋼的強度和韌性。一般釩含量為0.04%～0.12%，個別達(dá)0.16%～0.25%。釩主要用于細(xì)化晶粒，提高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度。由于釩在一般熱處理條件下會降低鋼的淬透性，因此在結(jié)構(gòu)鋼中通常與錳、鉻、鉬和鎢一兩種元素一起使用。釩在合金結(jié)構(gòu)鋼中的含量一般為0.07%～0.30%，個別達(dá)0.40%～0.50%。

以高強度抗震鋼筋為例，HRB400、HRB釩微合金化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于500熱軋帶肋鋼筋。這種成熟的微合金化技術(shù)生產(chǎn)的高強度鋼筋具有良好的綜合性能，其主要優(yōu)點是： 屈服強度不小于400MPa，抗拉強度不小于57 MPa；碳當(dāng)量不大于0.50%焊接性能好，適用于各種焊接方法；強屈比(抗拉強度與屈服強度的比例)不小于1.25、強度與塑性配合良好，彎曲性能好；高應(yīng)變低周疲勞性能，低應(yīng)變時效敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，抗震性能好。

釩在合金工模具鋼中的應(yīng)用

釩作為合金元素的主要應(yīng)用領(lǐng)域是合金工模具鋼。

釩在合金工模具鋼中的應(yīng)用

釩作為合金元素的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是合金模具鋼。釩不僅細(xì)化了晶粒，降低了過熱敏感性，而且提高了回火的穩(wěn)定性和耐磨性，從而延長了工模的使用壽命。常用的熱作模具鋼(H13)冷作模具鋼(D2)釩是主要的二次硬化元素。釩在工模鋼中的含量通常為0.波動在1%~5%范圍內(nèi)；但也有釩含量較高的工模具鋼，如美國開發(fā)的A11冷工具鋼的釩含量達(dá)到9.75%。釩是高速工具鋼中不可缺少的合金元素之一。高速工具鋼一直是釩的主要消費鋼。釩在含鎢高速工具鋼中能阻止晶粒長大，提高鋼的紅硬性和切削能力，增大耐磨性，最終起到延長高速工具使用壽命的作用。

在德國，釩在工具鋼和高速鋼中的消耗占釩總消耗量的1/3 左右。含釩模具鋼占我國合金模具鋼(包括冷作、熱作、塑料模具鋼)產(chǎn)品產(chǎn)量的55%。我國高速工具鋼標(biāo)準(zhǔn)（GB/T9943-2008）中，所有19 所有鋼號均含釩，其釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為1%~3%，少數(shù)特殊要求的高速鋼中釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

合金工模具鋼和高速鋼對中國國家標(biāo)準(zhǔn)V質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求/%

釩在耐熱鋼中的應(yīng)用

釩可以在耐熱鋼中形成高度分散的碳化物和氮化物顆粒，在高溫下聚合生長非常緩慢，從而提高耐熱鋼的熱強度和抗蠕變性。

碳氮化釩的高溫沉淀顯著提高了鋼的高溫持久強度。因此，釩廣泛應(yīng)用于電站耐熱鋼領(lǐng)域。在大多數(shù)耐熱鋼合金系統(tǒng)中添加V元素的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般為0.15％～0.40％。

典型耐熱鋼合金成分體系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

釩在不銹鋼中的應(yīng)用

釩也廣泛應(yīng)用于不銹鋼中。不銹鋼釩含量一般為0.1% ～1.5% 之間；其中UNS S42700Cr-Mo-V 馬氏體不銹鋼軸承鋼含有1.10%～1.30%的V，UNS S42800 Cr-Mo-V 馬氏體不銹鋼軸承鋼含有0.90%～1.15%的V，在馬氏體不銹鋼90Cr18MoV中含有0. 07%～0.12%的V。

釩在彈簧鋼中的應(yīng)用

釩能提高彈簧鋼的抗彈性降低性能，提高彈簧鋼的強度和屈服比，特別是比例極限和彈性極限，降低熱處理過程中鋼的脫碳敏感性，提高鋼的冶金和表面質(zhì)量。50鉻和釩配合使用CrVA 彈簧鋼是典型的高品質(zhì)彈簧鋼品種，釩含量為0.10%～0.25%。30W4Cr2VA 鋼中含0.50%～0.制造工作溫度為500%的釩℃耐熱彈簧。

35SiMnB(a)和35SiMnVB(b)彈簧鋼等溫轉(zhuǎn)換曲線

釩在軸承鋼中的應(yīng)用

自上個世紀(jì)以來，世界各國一直使用含鉻軸承鋼。我國獨創(chuàng)的GSiMnV、GSiMnMoV、GMn-MoVR含釩軸承鋼，含0.15%～0.30%釩。這些含釩軸承鋼具有較大的碳化物彌散性和良好的使用性能，使用壽命超過含鉻軸承鋼。但這些鋼脫碳傾向嚴(yán)重，加工性能差，需要改進(jìn)。

釩在耐腐蝕合金中的應(yīng)用

釩在Hastelloy 耐腐蝕合金在一定程度上得到了應(yīng)用，Hastelloy B合金含≤0.60%V，Hastelloy C、HastelloyC22、Hastelloy C276 合金含≤0.35%V，Hastelloy N 合金含≤0.50% V，Hastelloy W 合金含≤0.60%V。

因為釩有一種促進(jìn)生成的方法σ因此，在現(xiàn)代鎳基高溫合金中，除了現(xiàn)代鎳基高溫合金外，相的傾向很小程度上提高或不提高合金的強度或穩(wěn)定性A286 合金含有（0.10～0.50）%V，IN100、IN731 合金含有1% 釩，ЭП220 合金含有0.5%～0.8%V另外，一般沒有應(yīng)用。

04

釩在鋼中的應(yīng)用形式和添加方法

除在碳素工具鋼中加入不大于0.除05%以外，釩很少作為單一合金元素加入鋼中。

04

釩在鋼中的應(yīng)用形式和添加方法