扒一扒钢中的”维生素”—— 钒的前世今生

钒是由瑞典科学家塞夫斯托姆（N.G.Sefstrom）博士在1830年发现的。他在从事由Taberg矿石的铁矿中提炼球墨铸铁的研究时，获得了一种残留物，其中含有一种以前从未发现过的元素——钒。因为钒的化合物的颜色五颜六色，十分漂亮，所以就用古希腊神话中美丽女神“凡娜迪丝”（Vanadis）的名字给这种新元素起名叫“Vanadium”。中文按其译音定名为钒。塞夫斯托姆的导师，著名的瑞典化学家贝采里乌斯斯托姆（J.J.Berzelius）对塞夫斯托姆发现的这种新元素产生了浓厚的兴趣。他在国际上宣布了塞夫斯托姆的发现并就钒盐开展了大量研究工作。

然而，塞夫斯托姆和贝采里乌斯的工作只限于大量钒化合物的化学特性研究。直到30年之后，才由英国化学家罗斯科（H.Roscoe）用氢气还原氯化钒才第一次制得了金属钒。

基于塞夫斯托姆、贝采里乌斯和罗斯科的研究，钒早期是作为一种化学化合物来应用的。早期的应用实例如，墨水黑色剂和织物固苯胺黑色染料。到1900年，德国科学家发现钒盐可以作为很多化学反应的催化剂，这一发现使钒作为一种化学试剂得到了重要应用。

 

钒在钢中最初的应用是在19世纪末基于英国谢菲尔德大学阿诺德（Arnold）教授的研究工作。为了促使钒能够作为合金化元素在钢中应用，阿诺德教授在1889年开始研究钒在各种钢中的合金化作用。阿诺德等人在谢菲尔德大学的研究工作奠定了钒在整个工、模具钢领域的应用基础。由于钒碳化物的高硬度以及其高温稳定性，钒在高速钢、冷作和热作模具钢中获得广泛应用。

钒在工程用钢中的作用也早已得到证实。20世纪初，英国和法国的研究表明，钒合金化能使碳钢的强度大幅提高，尤其是在淬火加回火的工艺条件下，性能改善更为明显。在美国，一次偶然事件促使了钒在汽车用钢中的应用。亨利·福特一世在观看一次赛车比赛时，一辆法国轿车被撞毁，在检验汽车残骸时他发现一根由瑞典生产的曲轴的破损度比预想的要小得多。经过试验检验，发现该钢中含有钒。于是福特采用钒合金化钢制作福特车的关键部件，以便更好地抵抗路面的振动与疲劳。他曾经说过一句名言：“如果没有钒，就不会有汽车。”由于极少量的钒就能使钢获得优良的性能，当时人们对钒在钢中的作用就有一个很形象的评价 —— 钒是钢中的维生素。
 

钒合金钢的其他一些重要应用，主要集中在20世纪70年代前发展起来的高温电站用钢、钢轨钢以及铸铁等。钒能够提高钢的高温蠕变抗力，在Cr-Mo-V高温电站用钢中广泛应用。

高强度低合金钢（HSLA）领域是钒的应用中意义最大的、也是目前用量最大的领域。这类钢也称为“微合金化钢”。

微合金化钢和相应的控轧工艺的发展始于20世纪50年代后期。第二次世界大战后焊接结构得到广泛应用，由于碳对焊接结构韧性及焊接性的不利影响，通过增碳提高强度的含钒钢的发展传统手段受到了限制。此时，人们研究发现晶粒细化可以同时提高材料的强度和韧性，这种新观点强烈刺激着热轧新工艺和新钢种的开发。同时人们认识到，微合金化元素的析出强化可以有效弥补降低碳含量造成的强度损失，从而改善焊接性。

20世纪六七十年代，一种热轧的低碳钒微合金钢（0.15％~0.20％Ｃ、0.10％~0.15％Ｖ）替代传统的正火热处理钢获得了广泛应用。60年代初期，美国伯利恒钢铁公司在Ｃ-Ｍｎ钢基础上开发了系列Ｖ-Ｎ钢，其Ｃ、Ｍｎ含量上限分别为0.22％和1.25％，屈服强度达320~460MPa，以热轧态供货使用，规格包括了板、带和型钢的所有产品。1975年左右Jone&Laughlin公司开发出最早的高强度钒微合金化热轧带钢（VAN80钢），该钢首次采用在线控制加速冷却工艺生产，通过利用微合金元素的析出增加了晶粒细化和析出强化作用，其屈服强度达到560MPa。

20世纪80年代，伴随着控轧控冷工艺技术的发展，采用Ti-V微合金化设计，开发了一种新的控轧工艺路线，称为再结晶控制轧制（RCR）。通过使每道次变形后的形变奥氏体的再结晶，可以同样达到传统上低温控轧方法所能达到的晶粒细化效果。此工艺可采用较高的终轧温度，因此对轧机的轧制力要求较低，不但提高生产率，同时能在轧制力较弱的轧机上实现轧制生产。

20世纪90年代，薄板坯连铸连轧工艺得到快速发展，进一步促进了钒微合金化技术在高强度带钢产品中的应用。薄板坯连铸连轧工艺一系列冶金学特征，包括近终形的快速凝固、低的板坯加热温度、铸态组织直接轧制、机架道次大变形等，导致传统铌微合金化HSLA钢因铸坯裂纹和混晶组织问题造成了生产上的困难。通过采用V/V--N微合金化技术，人们在薄板坯连铸连轧工艺下开发出屈服强度为350~700MPa级的系列高强度带钢产品。
 

进入21世纪，中国在低成本V-N微合金化高强度钢筋方面的研究成果及推广应用，有力地促进了钒微合金化技术在我国的应用。目前，中国400MPa以上高强度钢筋的比例已经超过85%，并且正在大力发展屈服强度500MPa的Ⅳ级钢筋，钒在中国高强度钢筋的生产中有广阔的应用前景。

近年来，随着研究工作的不断深入，人们开发出一系列钒微合金化的新技术和新工艺。VN晶内铁素体（IGF）形核技术与RCR工艺结合，形成了第三代TMCP工艺。该工艺采用V-N微合金化设计，通过RCR细化原始奥氏体晶粒，依靠终轧阶段的形变诱导VN在奥氏体中的析出，促进IGF形核，细化了铁素体组织。这一新工艺技术不仅发挥钒的传统沉淀强化优势，还利用VN促进IGF形核起到了晶粒细化作用，充分发挥了微合金钢晶粒细化和沉淀强化的优点，该技术在一些难以实现低温控轧的钢铁产品，如厚壁型钢、高强度厚板等，获得了成功应用。