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碳化钒与氮化钒

用途

碳化钒、氮化钒是两种重要的钒合金添加剂。钒80%~90%用于钢铁工业的非常主要的原因是钒同碳、氮反应形成耐熔性碳、氮化物,根据钢的成分和钢处理过程的温度情况,这些化合物在钢中能起沉淀硬化和晶粒细化的作用。因此,碳化钒、氮化钒合金在钒钢生产中起着日趋重要的作用。碳化钒、氮化钒可用于结构钢、工具钢、管道钢、钢筋、普通工程钢以及铸铁中。已有的研究表明:碳化钒、氮化钒添加于钢中能提高钢的耐磨性、耐腐性、韧性、强度、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合机械性能,并使钢具有良好的可焊接性能,而且能起到消除夹杂物延伸等作用。尤其是在高强度低合金钢中,氮化钒中的氮比碳化钒更有利于促进富氮的碳、氮化钒的析出,从而更有效的强化和细化晶粒,并比碳化钒减少钒的加入量,降低生产成本。另外,碳化钒还可作为制取金属钒的原料。

从热力学的观点来看,钒是强碳化物形成元素,同时又是缩小C区的元素,在A-Fe中有很高的溶解度。因此,在共析钢中,钒既有溶入铁素体中形成置换固溶,碳体形成合金渗碳体。这三个过程互相影响,互相竞争,碳化钒质点能否析出,取决于三个过程竞争的结果。碳化钒形成的驱动力是体积自由能的降低(与钒和碳的亲合力有关),阻力是相界面界面能的增加,从这个意义上看,碳化钒质点必须要长大到一定大小才能稳定存在。所以,形成碳化钒需要足够高的钒含量以满足相变驱动力的需要,同时也需要集中大量的钒原子以保证形成的质点大于临界直径,也就是需要钒原子进行长距离扩散、聚集。钒含量越低,钒原子的扩散距离越长。根据计算,在钒含量为0.1%的PD3钢中,若要形成一个直径为2nm的碳化钒质点,需要周围34nm范围内所有的钒原子通过长程扩散聚集起来。由于PD3钢是珠光体钢,片间距很小,渗碳体分布均匀,所以钒溶入渗碳体不需要进行长程扩散。因此,当钢中钒含量较低时,钒原子更容易溶入渗碳体和铁素体中。当钢中钒含量不断增加时,铁素体和渗碳体中溶钒量很快达到饱和,多余的钒只能以碳化钒的方式析出,从电化学萃取分析的结果来看,此临界值大约在0.1%~0.2%左右。

钒属于稀有金属，具有熔点高、密度小（钒是V族元素中蕞轻的金属，在十个高熔点金属中也是蕞轻的一个金属）的特点。大多数钒存在于钒钛磁铁矿中。钒在地壳中的存在量很小(质量比为0.023%)，但微量的钒在钢中却可发挥显著的性能改善作用。

钒在冶金工业、化学工业、原子能工业、航空航天工业、农业、医学等各个领域中有着非常广泛的应用。不过，现在生产的钒绝大多数还是应用在冶金工业中，将其作为钢中重要的微合金化元素和合金化元素来提高钢的性能。钢中添加钒可以提高钢的强度、改善钢的韧性和塑性，改善钢的工艺性能，提高钒钢制品的服役性能等。目前，钒广泛地应用于高强度热轧带肋钢筋、高强度低合金钢、微合金非调质钢、轴承钢、超高强度钢、模具钢、高速钢、马氏体耐热钢、不锈钢等钢种中。