钒应用技术推广中心成立！深化研究，带动钢铁及相关产业发展

钒应用技术推广中心

2020年9月23日，钒应用技术推广中心在北京宣告成立，该机构由攀钢集团钒钛资源股份有限公司、河钢集团承钢公司、四川德胜集团钒钛有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、川威集团成渝钒钛科技有限公司以及钢铁研究总院联手打造。该机构致力于加强钒在钢铁及非钢铁行业的基础理论研究、产品种类创新及市场推广，推动钢铁及其相关产品的质量提升，并助力钒的消耗与相关产业的持续健康发展。

我国钒钢产量已逼近两亿吨，氧化钒的使用量约14万吨，这一数字占据了全球消费总量的60%至65%。在钒钢中，约70%的钒是通过钒氮合金化的方式加入的，而钒氮微合金化在非调质钢的进步中扮演了至关重要的角色。那么，含钒钢的技术优势究竟表现在哪些方面？钒氮微合金化技术又有哪些显著特点？非调质钢的未来发展趋势又是如何？在非调质钢的开发领域，钒氮微合金化技术扮演了何种角色？《世界金属导报》的记者怀着这样的疑问，对钢铁研究总院钒应用技术推广中心（以下简称中心）的主任杨才福进行了专访。接下来，就让我们共同倾听杨才福主任的见解。

1含钒钢的技术优势

谈到含钒钢的技术优势，杨才福认为主要体现在以下三个方面。

首先，它具备出色的工艺性能；这一点主要体现在再加热温度较低、变形抗力较小、终轧温度对性能的影响微乎其微；此外，对铸造性能的影响也降至最低。鉴于钒的碳氮化物在奥氏体中具有很高的溶解度，再加热过程中，在较低的温度下V（C，N）即可完全溶解，因此在实际生产中，我们可以采用较低的均热温度。含钒钢材的溶解度相对较高，尤其是碳化物的溶解度更为显著，这对于热处理过程至关重要。这一特性确保了在热处理过程中，大部分合金元素能够充分溶解，而在冷却阶段又能重新析出，从而有效实现析出强化，最终达到增强材料强度的目的。铌、钒、钛这三种关键的微合金化元素中，高温轧制过程中，含钒钢对再结晶的阻碍作用相对较弱，其再结晶的终止温度相对较低，因此，在热轧阶段，其轧制阻力相对较小。即便是在较高的终轧温度下，含钒钢依然能够保持良好的韧性，而终轧温度的高低对奥氏体在反复再结晶后的晶粒尺寸影响并不显著。

第二点，其广泛的适用性不容忽视。在钢铁制造业领域，钒作为一种关键的微合金化材料以及合金成分，被用于提升钢材的性能。含碳量不一的钢材，通过添加钒元素，可以增强其强度，同时提升韧性和塑性，优化其加工性能，并增强含钒钢材的耐用性。目前，钒元素已被广泛应用于制造高强度热轧带肋钢筋、高强度低合金钢、微合金非调质钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度钢、模具钢、高速钢、马氏体耐热钢以及不锈钢等多种钢材品种中。钒元素在钢铁中的添加量通常不超过0.5%（按质量比计算，高速工具钢除外），因此这一比例的钒在钢中的应用是广泛可行的。目前，钒已被公认为推动新型钢材研发的重要元素之一。

第三点，强化效果的可控性。含钒钢材的强化性能既能够被有效控制，又具有可预测性，尤其是在添加了氮元素之后，其强度提升的稳定性更为显著。这主要是因为，在众多微合金化元素中，钒最为适宜于引发稳定的强烈析出，这得益于其碳氮化物的溶解度积较高，固溶温度相对较低，且在高温环境中具备较强的溶解能力。[id_529931823]

2 钒氮微合金化技术特点

钒氮微合金化技术，这一复合微合金化手段，巧妙地运用了氮这一成本较低的元素，有效提升了钒的析出效能，并显著细化了钢材的晶粒尺寸。由此，它不仅实现了低成本、高性能和高效率的生产目标，更成为一项全面优化钢铁产品品种和质量的关键技术。杨才福指出，相较于其他微合金化元素，钒氮微合金化技术具备三大显著特点：，，，。

首先，这种处理方式便于实现奥氏体再结晶的细化效果。在高温奥氏体再结晶区域进行热轧时，含钒钢材的奥氏体再结晶阻力相对较低，因而更易促成奥氏体再结晶现象。随着高温热轧的持续进行，奥氏体将经历多次再结晶过程，从而有效破碎原始奥氏体晶粒。这一过程有助于细化原始奥氏体母相，并显著提升单位体积内的晶界总面积。采用此方法，原始奥氏体晶粒的细化程度可达20微米。

第二点，氮元素能够加速钒的析出过程以及晶内铁素体的形核。相较于铌和钛，钒的溶解度更高，这一特性意味着在较低的温度条件下，钒依然能够实现溶解。钢中氮含量若超过0.010%，则VN会在奥氏体中形成析出物，其析出速度最快的温度区间为860至900摄氏度。这一现象使得奥氏体基体中弥散分布的析出物和夹杂物增多，进而提升了铁素体在相变后的形核位置和形核密度，从而为钢组织细化打下了坚实的基础。

第三种方法是运用快速降温技术，提升冷却速率，进而增强相变过程中的成核动力。针对钒氮微合金化钢，在原始奥氏体晶粒细化以及VN在奥氏体中析出的基础上，通过热轧后的快速冷却，增加冷却速度，提升过冷度，从而可以增强相变时的成核动力，提高相变后铁素体的成核数量，进一步细化铁素体晶粒。

3 氮对含钒钢的强化效果

杨才福指出，氮元素对于钒钢而言至关重要。在氮含量较低的情况下，钒这一微合金化元素在钢中主要以固溶状态存在，无法有效发挥其析出强化的作用。通过适量提升钢中氮的比例，能够促使钢中添加的微合金化元素钒主要以碳氮化钒的形式析出，从而将钢中原本的固溶钒转变为析出钒，充分展现了钒的析出强化效能，显著增强了含钒钢的强度。此外，在众多微合金化元素中，钒尤为适宜引发稳定且强烈的析出反应，这主要得益于其碳氮化物的溶解度积较高，固溶温度较低，以及高温下具备较强的溶解能力。与铌相较，钒的显著特性在于其氮化物的溶解度远低于碳化物两个数量级，这一特性使得氮在含钒钢的沉淀强化过程中扮演着至关重要的角色。在钢中，氮能够与钒结合，生成众多细小且分布均匀的碳氮化钒颗粒。这些颗粒的析出不仅强化了钢的结构，还细化了晶粒，从而显著提升了钢的强度，同时也有助于改善或维持钢的优良塑性和韧性。

杨才福强调，提升钢材中氮的比例能够显著增强其强度。具体来说，氮含量每增加10ppm，钢材的强度便会提升10MPa。在未添加氮的情况下，若加入0.01%的V，强度可提升5至10MPa；而在添加氮的前提下，同样的V含量则能将强度提升至25MPa。因此，采用增氮处理后的钒氮微合金化技术，不仅效率更高，成本更低，而且性能更加可预测。

4 非调质钢开发现状及未来发展趋势

杨才福指出，非调质钢锻造完成后，无需进行额外的调质热处理步骤，即可实现调质钢的优异性能，进而有效减少能源消耗；此外，非调质钢的使用不仅能够减少30%-40%的零件制造能源消耗，还能降低20%的成本。他还提到，采用非调质钢还能减少在调质过程中因淬火导致的变形和开裂，进而简化矫直工序。因此，推动节能型、环保型、成本效益高的非调质钢来替代那些能耗大、生产周期长的调质钢汽车零部件，已经成为汽车用钢行业发展的必然走向。

非调质钢目前已被广泛用于汽车底盘传动系统、转向系统以及发动机系统的零部件制造。其发展历程可分为铁素体-珠光体型、贝氏体型和马氏体型三个主要阶段。Mn-V系列中抗拉强度低于900MPa的钢材，主要应用于发动机的曲轴、连杆、半轴等轴杆部件；而抗拉强度超过900MPa的，例如C70S6和40CrMnVB，则主要用于发动机的连杆、转向节及其背部和前轴等部件；抗拉强度超过950MPa的，如FAS2237、70MnVS4和35CrMnVS等，主要服务于发动机连杆的制作；此外，新型贝氏体基非调质钢30MnCrSiMoVB，则主要被用于曲轴、喷油器、悬架背板以及高压共轨等部件。在非调质钢的研制历程中，钒氮微合金化技术扮演了至关重要的角色；通过该技术所研发的铁素体-珠光体型以及贝氏体型非调质钢，不仅拥有优异的疲劳强度，而且具备出色的切削加工特性。

汽车行业里，高压柴油喷射技术因其卓越的燃油经济性和较低的废气排放量，在欧洲市场迅速崛起并得到了广泛的应用。杨才福指出，该系统所使用的共轨喷油器，在压力不断上升的情况下，对所选用的钢铁材料的强度要求也在不断提升。目前，国际上共轨喷油器所采用的锻钢，正逐步从抗拉强度为920MPa的铁素体-珠光体型非调质钢38MnSiV5，转向抗拉强度为1040MPa的铁素体-珠光体型非调质钢44MnV6和36MnSiV4，以及抗拉强度在1030至1200MPa范围内的贝氏体型非调质钢25MnCrSiVB6和30MnCrSiMoVB5。

我国汽车工业中，非调质钢的品种及使用量均不及国外，杨才福强调，研究具有高强度、高韧性、易切削加工以及低成本的非调质钢，并推广其在汽车工业中的应用，对于实现节能减排和减轻汽车重量具有重要意义。此外，通过钒微合金化技术提升非调质钢的强度与韧性匹配，是满足这些需求的有效方法。

5 非调质钢研发项目成果

为推动制造业向绿色低碳转型，特别是在汽车和工程机械零部件的生产中，非调质钢正逐步替代传统的调质钢。这一变革旨在通过优化工业零件的制造流程，达到节能减排、降低成本和提高效率的目的。在此形势下，我们中心与相关单位共同进行了多项研究项目，致力于开发和应用汽车用钒微合金化非调质钢。

项目一涉及中心与武汉科技大学及湖北三环车桥有限公司的协作，共同推进《950MPa级汽车车桥用高品质非调质钢》的研发。项目聚焦于研制钒微合金化的950MPa级汽车车桥用高品质非调质钢；进行非调质钢成分与锻造工艺的适配性研究；完成高品质非调质汽车车桥的钢台架试验，并对服役性能进行评估；最终实现小批量、稳定化的生产与应用。该项目研发的非调质钢产品已在陕汽汉德进行了小规模应用，同时，多款商用车型已确定进行推广，目前正致力于轻量化车桥新产品的开发工作，同步进行应用技术的深入研究以及服役性能的评价。

项目二是由中心联合中国汽车工程研究院股份有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、中国重型汽车集团有限公司、陕西德仕汽车部件（集团）有限责任公司、江苏常宝股份有限公司共同推进的《汽车用高品质非调质钢工程试验与推广应用》项目。此项目针对国内多家商用车企对重载车型应用的需求，以推力杆球销和半轴为研究重点，致力于V非调质钢的研发及关键技术的推广应用研究。项目基于V微合金化设计，结合适宜的冶金工艺和零件制造工艺的优化，成功在典型商用车零部件上应用了高品质非调质钢，从而替代了42CrMo和40Cr等传统钢种。目前，37MnSiVS和44MnSiVS6这两种非调质钢，在项目开发中已成功应用于主机厂商的推力杆球销、半轴等关键零件，并经验证取得了良好的效果，为企业带来了显著的经济和社会效益。杨才福指出，中心计划在今后致力于高强度贝氏体型非调质钢的研发和广泛推广。

《世界金属导报》

2023年第35期 B04