V2O3碳熱還原-常壓滲氮制備高氮型釩基多元合金研究

易亮亮　李男　張?zhí)K新　楊建旺　龐浩

摘 要：通過(guò)研究釩氧化物高溫碳熱還原和滲氮過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響的變化規(guī)律，綜合優(yōu)化高氮型釩基多元合金生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)擴(kuò)大化試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了反應(yīng)時(shí)間、氣體影響因素、溫度控制等對(duì)產(chǎn)品N/V、產(chǎn)品球團(tuán)粘連及形態(tài)形貌的影響，確定最佳釩基多元合金制備工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：碳熱還原；釩基合金；滲氮

STUDY ON PREPARATION OF HIGH NITROGEN VANADIUM BASED MULTICOMPONENT ALLOYS BY V2O3 CARBOTHERMAL REDUCTION ATMOSPHERIC PRESSURE NITRIDING

Yi Liangliang? ? Li Nan? ? Zhang? Suxin? ? Yang Jianwang? ? Pang Hao

（Chengde Branch of Hegang Co.， Ltd.? ? Chengde? ? 067102，China）

Abstract：By studying the changes in the influence of high-temperature carbothermal reduction and nitriding processes of vanadium oxides on product quality， the production technology of high nitrogen vanadium based multi-element alloys is comprehensively optimized. The effects of reaction time， gas influencing factors， temperature control， and other factors on product N/V， product pellet adhesion， and morphology were studied through expanded experiments to determine the optimal process parameters for the preparation of vanadium based multicomponent alloys.

Key words： carbothermal reduction; vanadium based alloys; nitriding

0? ? 引? ? 言

含釩特鋼因其具有優(yōu)良的彈性、強(qiáng)度、抗磨損和抗爆裂性能，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路、水利、核電工程等重點(diǎn)工程。釩加入到鋼中可縮小奧氏體相區(qū)，細(xì)化晶粒，釩氮共同加入可進(jìn)一步促進(jìn)釩的細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用，進(jìn)一步增加鋼的強(qiáng)度，節(jié)約釩加入量30%～40%。

釩氮合金中的N/V越高，鋼中釩的吸入效果越好，釩節(jié)約量越多，從而降低含釩特鋼生產(chǎn)成本。釩氮合金的制備中存在N/V極限值低問(wèn)題，而氮化釩鐵的制備流程長(zhǎng)、能耗高、產(chǎn)能低，難以連續(xù)批量化生產(chǎn)。

1? ? 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

1.1? ? 配碳比對(duì)合金成分的影響研究

1.1.1? ?配碳系數(shù)對(duì)釩基多元合金產(chǎn)品中的氮含量的影響

試驗(yàn)條件：采用氮?dú)饬髁繛? L/min，溫度

1 350 ℃，還原氮化保溫時(shí)間2 h。不同配碳系數(shù)（碳粉質(zhì)量/三氧化二釩）合成的釩基多元合金中氮含量如圖1所示。

從圖中可知，配碳系數(shù)對(duì)釩基多元合金產(chǎn)品中的氮含量有重要影響，當(dāng)配碳系數(shù)為0.25時(shí)，樣品中的氮含量可達(dá)12.9%。

1.1.2? ? 保溫時(shí)間對(duì)樣品中氮含量的影響

從配碳系數(shù)試驗(yàn)可知，配碳量過(guò)高或過(guò)低均不利于合金滲氮，因此選擇配碳比約為0.24時(shí)，進(jìn)行不同保溫時(shí)間的條件實(shí)驗(yàn)，不同保溫時(shí)間下樣品中氮含量的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

從圖中可以看出，配碳系數(shù)為0.25時(shí)樣品整體氮含量較高，保溫3 h后得到的樣品中氮含量最高為14.1%。如果配碳系數(shù)超過(guò)還原所需的碳時(shí)，樣品中有過(guò)量的碳存在，會(huì)降低釩基多元合金的純度，同時(shí)根據(jù)熱力學(xué)分析可知，過(guò)量的碳會(huì)導(dǎo)致逆反應(yīng)加快，從而生成VC，進(jìn)而影響氮的滲入量。因此，在保證還原氮化反應(yīng)充分進(jìn)行的同時(shí)，應(yīng)選擇合理的配碳系數(shù)。

1.1.3? ? 配碳比對(duì)產(chǎn)品C、N、O元素的影及保溫時(shí)間的影響

選擇碳化反應(yīng)溫度和氮化反應(yīng)溫度分別為1 400 ℃和1 450 ℃，配碳系數(shù)對(duì)各反應(yīng)元素的影響規(guī)律見(jiàn)圖3所示。

根據(jù)不同配碳量下產(chǎn)物中的碳、氮、氧含量可以看出，配碳量為0.25時(shí)產(chǎn)物氮含量最高。隨著配碳量增大，氮含量出現(xiàn)降低趨勢(shì)，而產(chǎn)物中碳含量增加，而過(guò)量的碳生成VC。配碳量低時(shí)，產(chǎn)物中氧含量增加，主要是因?yàn)樘己坎蛔悖琕2O3無(wú)法被徹底還原，造成產(chǎn)物中氧含量較高。配碳系數(shù)為0.24的樣品在1 350 ℃溫度下，研究不同氮?dú)饬髁繉?duì)合金中氮含量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)饬髁繛? L/min的時(shí)氮含量最高，但流量降低至3 L/min時(shí)產(chǎn)品中氮含量無(wú)顯著變化，考慮實(shí)際生產(chǎn)成本，選擇氮?dú)饬髁繛? L/min。

1.2? ? 配碳系數(shù)、碳化溫度對(duì)產(chǎn)品N/V的影響

保持碳化反應(yīng)溫度為1 450 ℃，氮化反應(yīng)溫度為1 400 ℃，氮?dú)饬髁繛? L/min，配碳系數(shù)、碳化溫度對(duì)N/V的影響規(guī)律見(jiàn)圖4、圖5。

隨著配碳系數(shù)的增加，N/V比先增后減少，配碳系數(shù)為0.29時(shí)，產(chǎn)品N/V最高。隨著碳化溫度升高，N/V逐漸增加。

1.3? ? 氮化溫度對(duì)N/V的影響

保持碳化反應(yīng)溫度為1 450 ℃，配碳系數(shù)為0.29，氮?dú)饬髁繛?00 m3/h，氮化溫度對(duì)N/V的影響規(guī)律見(jiàn)圖6所示。

升高氮化反應(yīng)溫度，N/V先增加后減小，1 400 ℃時(shí)，N/V最高。

1.4? ? 不同溫度下還原產(chǎn)物研究

在配碳比一定條件下，不同溫度下的XRD衍射譜見(jiàn)圖7。

由圖7可知，1 100 ℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生氮化反應(yīng)，生成面心立方結(jié)構(gòu)的VN，有少量的V₂O₃未被還原；1 200 ℃時(shí)，發(fā)生碳化和氮化反應(yīng)，V₂O₃完成還原，X射線分析與TG-DTA曲線分析結(jié)果一致。利用JSM-6700F掃描電鏡-X射線能譜儀，對(duì)高氮型釩基多元合金進(jìn)行微觀分析，各元素的分布如圖8所示。高氮型釩基多元合金主要以黑色棒狀物相和灰色的團(tuán)聚體物相，黑色棒狀區(qū)域元素背散射圖主要含有V、N元素和少量O元素，結(jié)合XRD分析，該區(qū)域主要是VN相和痕量VO相；灰色團(tuán)聚區(qū)域主要含有Fe相，主要含有Fe和少量的Si、O元素。

釩基多元合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及元素分布規(guī)律的研究表明，1 100 ℃時(shí)產(chǎn)品中鐵元素均勻分布在釩基多元合金相中，釩基多元合金中的鐵元素起玻璃相交聯(lián)作用，不僅有助于提升合金的密度，更利于合金滲氮，形成形貌均勻、成分穩(wěn)定的釩基多元合金，說(shuō)明鐵同樣可促進(jìn)合金中N/V的提升。因此，在釩基多元合金中加入鐵元素可提升合金質(zhì)量。綜上所述：配碳比0.29，碳化溫度1 450 ℃，氮化溫度1 400 ℃，氮?dú)饬髁? L/min，產(chǎn)品的N/V達(dá)0.22以上。

2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1）還原氮化反應(yīng)的最佳工藝條件：配碳比0.29，氮?dú)饬髁? L/min。

2）碳化溫度1 450 ℃，氮化溫度1 400 ℃，產(chǎn)品的N/V達(dá)0.22以上。

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