V2O3碳热还原-常压渗氮制备高氮型钒基多元合金研究

易亮亮　李男　张苏新　杨建旺　庞浩

摘 要：通过研究钒氧化物高温碳热还原和渗氮过程对产品质量影响的变化规律，综合优化高氮型钒基多元合金生产技术。通过扩大化试验，重点研究了反应时间、气体影响因素、温度控制等对产品N/V、产品球团粘连及形态形貌的影响，确定最佳钒基多元合金制备工艺参数。

关键词：碳热还原；钒基合金；渗氮

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

含钒特钢因其具有优良的弹性、强度、抗磨损和抗爆裂性能，被广泛应用于高速铁路、水利、核电工程等重点工程。钒加入到钢中可缩小奥氏体相区，细化晶粒，钒氮共同加入可进一步促进钒的细化晶粒和沉淀强化作用，进一步增加钢的强度，节约钒加入量30%～40%。

钒氮合金中的N/V越高，钢中钒的吸入效果越好，钒节约量越多，从而降低含钒特钢生产成本。钒氮合金的制备中存在N/V极限值低问题，而氮化钒铁的制备流程长、能耗高、产能低，难以连续批量化生产。

1    试验内容与结果

1.1    配碳比对合金成分的影响研究

1.1.1   配碳系数对钒基多元合金产品中的氮含量的影响

试验条件：采用氮气流量为3 L/min，温度

1 350 ℃，还原氮化保温时间2 h。不同配碳系数（碳粉质量/三氧化二钒）合成的钒基多元合金中氮含量如图1所示。

从图中可知，配碳系数对钒基多元合金产品中的氮含量有重要影响，当配碳系数为0.25时，样品中的氮含量可达12.9%。

1.1.2    保温时间对样品中氮含量的影响

从配碳系数试验可知，配碳量过高或过低均不利于合金渗氮，因此选择配碳比约为0.24时，进行不同保温时间的条件实验，不同保温时间下样品中氮含量的变化规律见图2。

从图中可以看出，配碳系数为0.25时样品整体氮含量较高，保温3 h后得到的样品中氮含量最高为14.1%。如果配碳系数超过还原所需的碳时，样品中有过量的碳存在，会降低钒基多元合金的纯度，同时根据热力学分析可知，过量的碳会导致逆反应加快，从而生成VC，进而影响氮的渗入量。因此，在保证还原氮化反应充分进行的同时，应选择合理的配碳系数。

1.1.3    配碳比对产品C、N、O元素的影及保温时间的影响

选择碳化反应温度和氮化反应温度分别为1 400 ℃和1 450 ℃，配碳系数对各反应元素的影响规律见图3所示。

根据不同配碳量下产物中的碳、氮、氧含量可以看出，配碳量为0.25时产物氮含量最高。随着配碳量增大，氮含量出现降低趋势，而产物中碳含量增加，而过量的碳生成VC。配碳量低时，产物中氧含量增加，主要是因为碳含量不足，V2O3无法被彻底还原，造成产物中氧含量较高。配碳系数为0.24的样品在1 350 ℃温度下，研究不同氮气流量对合金中氮含量的影响。试验结果表明，氮气流量为4 L/min的时氮含量最高，但流量降低至3 L/min时产品中氮含量无显著变化，考虑实际生产成本，选择氮气流量为3 L/min。

1.2    配碳系数、碳化温度对产品N/V的影响

保持碳化反应温度为1 450 ℃，氮化反应温度为1 400 ℃，氮气流量为3 L/min，配碳系数、碳化温度对N/V的影响规律见图4、图5。

随着配碳系数的增加，N/V比先增后减少，配碳系数为0.29时，产品N/V最高。随着碳化温度升高，N/V逐渐增加。

1.3    氮化温度对N/V的影响

保持碳化反应温度为1 450 ℃，配碳系数为0.29，氮气流量为300 m3/h，氮化温度对N/V的影响规律见图6所示。

升高氮化反应温度，N/V先增加后减小，1 400 ℃时，N/V最高。

1.4    不同温度下还原产物研究

在配碳比一定条件下，不同温度下的XRD衍射谱见图7。

由图7可知，1 100 ℃时开始发生氮化反应，生成面心立方结构的VN，有少量的V₂O₃未被还原；1 200 ℃时，发生碳化和氮化反应，V₂O₃完成还原，X射线分析与TG-DTA曲线分析结果一致。利用JSM-6700F扫描电镜-X射线能谱仪，对高氮型钒基多元合金进行微观分析，各元素的分布如图8所示。高氮型钒基多元合金主要以黑色棒状物相和灰色的团聚体物相，黑色棒状区域元素背散射图主要含有V、N元素和少量O元素，结合XRD分析，该区域主要是VN相和痕量VO相；灰色团聚区域主要含有Fe相，主要含有Fe和少量的Si、O元素。

钒基多元合金的内部微观结构及元素分布规律的研究表明，1 100 ℃时产品中铁元素均匀分布在钒基多元合金相中，钒基多元合金中的铁元素起玻璃相交联作用，不仅有助于提升合金的密度，更利于合金渗氮，形成形貌均匀、成分稳定的钒基多元合金，说明铁同样可促进合金中N/V的提升。因此，在钒基多元合金中加入铁元素可提升合金质量。综上所述：配碳比0.29，碳化温度1 450 ℃，氮化温度1 400 ℃，氮气流量3 L/min，产品的N/V达0.22以上。

2    实验结论

1）还原氮化反应的最佳工艺条件：配碳比0.29，氮气流量3 L/min。

2）碳化温度1 450 ℃，氮化温度1 400 ℃，产品的N/V达0.22以上。

参考文献

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