碳化釩與氮化釩

用途

碳化釩、氮化釩是兩種重要的釩合金添加劑。釩80%~90%用于鋼鐵工業的非常主要的原因是釩同碳、氮反應形成耐熔性碳、氮化物,根據鋼的成分和鋼處理過程的溫度情況,這些化合物在鋼中能起沉淀硬化和晶粒細化的作用。因此,碳化釩、氮化釩合金在釩鋼生產中起著日趨重要的作用。碳化釩、氮化釩可用于結構鋼、工具鋼、管道鋼、鋼筋、普通工程鋼以及鑄鐵中。已有的研究表明:碳化釩、氮化釩添加于鋼中能提高鋼的耐磨性、耐腐性、韌性、強度、延展性和硬度以及抗熱疲勞性等綜合機械性能,并使鋼具有良好的可焊接性能,而且能起到消除夾雜物延伸等作用。尤其是在高強度低合金鋼中,氮化釩中的氮比碳化釩更有利于促進富氮的碳、氮化釩的析出,從而更有效的強化和細化晶粒,并比碳化釩減少釩的加入量,降低生產成本。另外,碳化釩還可作為制取金屬釩的原料。

從熱力學的觀點來看,釩是強碳化物形成元素,同時又是縮小C區的元素,在A-Fe中有很高的溶解度。因此,在共析鋼中,釩既有溶入鐵素體中形成置換固溶,碳體形成合金滲碳體。這三個過程互相影響,互相競爭,碳化釩質點能否析出,取決于三個過程競爭的結果。碳化釩形成的驅動力是體積自由能的降低(與釩和碳的親合力有關),阻力是相界面界面能的增加,從這個意義上看,碳化釩質點必須要長大到一定大小才能穩定存在。所以,形成碳化釩需要足夠高的釩含量以滿足相變驅動力的需要,同時也需要集中大量的釩原子以保證形成的質點大于臨界直徑,也就是需要釩原子進行長距離擴散、聚集。釩含量越低,釩原子的擴散距離越長。根據計算,在釩含量為0.1%的PD3鋼中,若要形成一個直徑為2nm的碳化釩質點,需要周圍34nm范圍內所有的釩原子通過長程擴散聚集起來。由于PD3鋼是珠光體鋼,片間距很小,滲碳體分布均勻,所以釩溶入滲碳體不需要進行長程擴散。因此,當鋼中釩含量較低時,釩原子更容易溶入滲碳體和鐵素體中。當鋼中釩含量不斷增加時,鐵素體和滲碳體中溶釩量很快達到飽和,多余的釩只能以碳化釩的方式析出,從電化學萃取分析的結果來看,此臨界值大約在0.1%~0.2%左右。

釩屬于稀有金屬，具有熔點高、密度小（釩是V族元素中蕞輕的金屬，在十個高熔點金屬中也是蕞輕的一個金屬）的特點。大多數釩存在于釩鈦磁鐵礦中。釩在地殼中的存在量很小(質量比為0.023%)，但微量的釩在鋼中卻可發揮顯著的性能改善作用。

釩在冶金工業、化學工業、原子能工業、航空航天工業、農業、醫學等各個領域中有著非常廣泛的應用。不過，現在生產的釩絕大多數還是應用在冶金工業中，將其作為鋼中重要的微合金化元素和合金化元素來提高鋼的性能。鋼中添加釩可以提高鋼的強度、改善鋼的韌性和塑性，改善鋼的工藝性能，提高釩鋼制品的服役性能等。目前，釩廣泛地應用于高強度熱軋帶肋鋼筋、高強度低合金鋼、微合金非調質鋼、軸承鋼、超高強度鋼、模具鋼、高速鋼、馬氏體耐熱鋼、不銹鋼等鋼種中。