CN101619408B

CN101619408B - 一种在钢液中形成纳米颗粒的制备方法

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Publication number: CN101619408B
Application number: CN2009100896795A
Authority: CN
Inventors: 王自东; 林国标; 吴兰鹰; 左龙飞
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: CN101619408A

Abstract

本发明属于钢铁材料领域，涉及一种在钢液中形成纳米颗粒的制备方法。其特征是在熔炼和浇注的过程中，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金；铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s；熔体中含有高于基体合金熔点的析出相TiN的合金元素Ti、N，随着温度下降Ti、N溶解度下降，形成纳米TiN析出相的铸造合金。本发明优点是不需要固溶时效热处理，可以在凝固合金中直接形成纳米弥散相。

Description

一种在钢液中形成纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，涉及一种在钢液中形成纳米颗粒的制备方法。

背景技术

纳米块状金属材料具有很高的强度，但延伸率低，纳米颗粒弥散强化的金属材料可在保持合金延伸率的情况下，将合金的强度大幅度提高，其强化效果优于传统的钢铁工业上所使用的微米级和亚微米级的第二相粒子弥散强化，纳米弥散相强化钢铁的研究成为近年来的热点。日本NKK公司利用纳米技术成功开发出牌号为“Nano Hiten”高强度热轧薄板，其抗拉强度最大可达780N/mm²，但是这种钢的可成型性可与抗拉强度为590N/mm2钢板的可成型性媲美。它具有优秀的压力成形性能，是汽车工业理想的原材料，该技术将热轧过程中的析出物控制在几个纳米内，与常规780N/mm²的钢材比较，其延伸率提高了30％。纳米强化不但可大幅度提高结构钢的强度，还可以提高高温合金的高温蠕变性能。纳米强化技术对于汽车行业、船舶行业、电力行业等广泛领域用钢具有重要的应用价值。

在钢铁中形成纳米强化，近年来报道的方法主要有：MA/ODS法、变形热处理法。MA/ODS法是应用机械合金化等过程制得含纳米氧化物团簇Ti-Y-O弥散强化的铁素体合金，使用的原料是经预合金化的金属粉末和Y₂O₃粉，利用高能球磨进行机械合金化，然后经热挤压及后续的加工过程而制备。这种方法首次推出是在上个世纪60年代，由于这种材料具有很好的高温性能，目前仍是研究的热点。利用粉末冶金的机械合金化法制备，普遍认为过程复杂、成本高。另一种方法是热变形处理TMT (Thermomechanical Treatment)，对含N的钢进行TMT处理，可获得高分布密度纳米级富含V、Nb的氮化物或碳氮化物弥散析出。例如成份为Fe-9.0Cr-1.0Mo-0.20V-0.07Nb-0.05N-0.10C含N钢加工步骤[R L Klueh，N Hashimoto，P J Maziasz.Development of newnano-particle-strengthened martensitic steels，Scripta Materialia，2005，53：275-280]可描述为：将钢加热到1000-1400℃保温1-5小时进行奥氏体化处理，然后冷却到600-1000℃热轧，变形量达20-50％，紧接着在热轧温度下退火0-4小时，最后冷却到室温，在冷却过程中发生马氏体转变。TMT处理过程中通过热锻、热轧等变形手段形成了大量的位错和空位，在后续的热处理过程中，有利于纳米弥散相的析出。对低碳钢进行大形变量的塑性变形，并进行时效热处理，如文献[DongHyuk Shin，Kyung-Tae Park，Yong-Seog Kim.Formation of fine cementiteprecipitates in an ultra-fine grained low carbon steel，Scripta Materialia，2003，48：469-47]报道在420-600℃保温1-24h，可形成铁碳析出物或渗碳体，

目前钢中的纳米级强化相均是通过塑性变形，通过热处理获得的。不经过后续的处理，直接在钢的凝固组织中获得纳米弥散强化相，还鲜见报道。

发明内容

本发明目的是在合金熔炼时加入纳米强化相的形成元素，浇铸时通过调整熔体(或称金属液)的压力场和流场，在钢液中制备稳定的纳米TiN颗粒，在凝固后最终获得纳米颗粒弥散强化的钢合金。

发明人近些年来，对合金凝固过程中纳米相的析出，进行了深入的基础研究，部分研究结果见[Zidong Wang，Xuewen Wang，QiangsongWang，I Shih and J J Xu.Fabrication of a nanocomposite from in situ ironnanoparticle reinforced copper alloy，Nanotechnology，2009，20：075605]。我们得到的初步结论是：1)高熔点析出相原子溶解在低熔点金属中形成的合金熔体，其溶解度随着温度降低而降低，在从浇铸温度到凝固温度，相对析出相的熔点，析出相获得了很大过冷度，形核半径极小，可以形成纳米级的析出颗粒；2)熔体中的高熔点析出相原子浓度不能过高，避免纳米颗粒长大；3)在熔体的压力场和流场的作用下，避免了纳米颗粒长大，这样在凝固过程中即可获得稳定的纳米析出相，减少和避免合金组织中粗大析出相的形成。前面两条为形成纳米析出相的合金成分设计提供了理论基础，后面一条为在钢液中或在凝固组织中制备纳米颗粒的技术提供了理论支撑。

应用这一理论基础，我们通过调整金属熔体中的压力场和流场，在钢的凝固组织中获得了弥散分布的纳米TiN颗粒。

一种纳米颗粒在钢液中制备方法，首先是制备含纳米析出相元素的钢合金熔体，其主要特色是在熔炼和浇铸的过程中，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力(离心铸造)或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金。铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s；熔体中含有高于基体合金熔点的析出相TiN的合金元素Ti、N，随着温度下降Ti、N溶解度下降，形成纳米TiN析出相的铸造合金。

合金化学成份(质量百分比)：0.1～0.25wt.％C、0～0.55wt.％Si，0.5～2wt.％Mn、0～0.05wt.％P、0～0.05wt.％S、0～1.5wt.％Al、0～1wt.％RE(稀土元素)、0～5wt.％Cr、0～5wt.％Ni、0～1wt.％Mo、0～0.5wt.％V、0～0.5wt.％Nb、0.02～1wt.％Ti、0.02～0.8wt.％N、余量Fe。

本发明的工艺过程：

1)利用感应熔炼、电弧熔炼等加热方式，将钢合金加热熔化；

2)合金熔炼是在氮气气氛下进行的；

3)钢全部熔化后，再过热50～100℃，待液面稳定后，加入0.02-1.0wt.％Ti；

4)在0.01～0.5MPa氮气压力下，进行熔炼；

5)在0.01～0.5MPa氮气压力下，采用离心浇铸、或在电磁搅拌情况下进行浇铸，在浇铸凝固过程中金属液流动的线速度不低于1.7m/s；金属液在铸型中的压力0.01～1MPa；

6)铸型可为砂型、溶模壳型、金属型；

7)金属完全凝固后，停止压力场和流场等外力作用；

8)对凝固合金的微观组织结构进行分析。

本发明优点是：

不需要固溶时效热处理，可以在凝固合金中直接形成纳米弥散相。

具体实施方式

实施例1

1)合金原料：使用的为低碳合金钢，C为0.07～0.14wt.％，Si为0.16～0.36wt.％，Mn为0.37～0.65wt.％，Mo为0.24～0.34wt.％，Cr为0.28～0.5wt.％，V为0.14～0.28wt.％。合金重量为6.5kg。

2)采用水玻璃砂制备高强度砂型；

3)为减少吸气，将合金原料、石墨浇口杯，在电阻炉内加热到200℃，保温2小时烘干；

4)将合金原料放入坩埚，将铸型安装在真空炉内的离心盘上。然后安装浇口杯支架、浇口杯、陶瓷过滤网。使浇口杯的导流管与铸型上的浇口中心对正。关闭炉门、炉盖，开启真空系统对炉体抽真空，当真空度达5×10^-1Pa，关闭真空系统充入N₂气达0.07MPa；

5)送电升温熔炼合金，500℃之前加热速度较慢，功率可按1kw/kg合金计算送功率，500℃以上加大功率升温，最高温度可过热到1600℃，待合金液面平静后用二次加料装置加入20克纯Ti(相当于总重量的0.29wt％)，在1550～1600℃下保温10-15min后开始浇铸。从开始熔炼到合金到合金全部熔清时间为30-50min，从合金全部熔清到浇铸的时间为约15min；

6)浇铸前开离心机，离心转速为250转/min，金属液流流动线速度约为3m/s～8m/s；

7)浇铸：浇铸速度恰当，避免过快不利于排气和过慢造成金属液断流，一般在15秒左右浇铸充型完毕。为了保证金属液体在离心力的作用下凝固，在浇铸结束后离心机持续运行15分钟左右，直至铸件凝固；

8)待冷却到开箱温度，取出铸件，清理并除去浇铸系统，得到纳米TiN颗粒强化的凝固合金。

实施例2

1)合金原料：使用的为低碳钢，C为0.12～0.2wt.％，Mn为0.3～0.7wt.％，Si≤0.3wt.％，S≤0.4wt.％，P≤0.4wt.％。合金重量为10kg。

2)采用内涂陶瓷涂料的金属型铸造，浇铸前金属型加热到200℃；

4)将合金原料放入坩埚，将铸型安装在真空炉内的离心盘上。然后安装浇口杯支架、浇口杯、陶瓷过滤网。使浇口杯的导流管与铸型上的浇口中心对正。关闭炉门、炉盖，开启真空系统对炉体抽真空，当真空度达5×10^-1Pa，关闭真空系统充入N₂气达0.5MPa；

5)送电升温熔炼合金，最高温度可过热到1630℃，待合金液面平静后用二次加料装置加入100克纯Ti(相当于总重量的1wt％)，在1560～1610℃下保温10-15min后开始浇铸。从开始熔炼到合金到合金全部熔清时间为30-50min，从合金全部熔清到浇铸的时间为约15min；

6)浇铸前开离心机，离心转速为1000转/min，金属液流流动线速度约为10m/s～20m/s；

7)浇铸：浇铸速度恰当，避免过快不利于排气和过慢造成金属液断流，一般在15秒左右浇铸充型完毕。为了保证金属液体在离心力的作用下凝固，在浇铸结束后离心机持续运行15分钟左右，直至铸件凝固。

Claims

1.一种纳米颗粒在钢液中制备方法，其特征是以低碳合金钢为合金原料，在熔炼和浇铸的过程中，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金；熔体中含有高于基体合金熔点的析出相TiN的合金元素Ti、N，随着温度下降Ti、N溶解度下降，形成纳米TiN析出相的铸造合金；

其工艺过程为：

1)利用感应熔炼或电弧熔炼加热方式，将钢合金加热熔化；

2)合金熔炼是在氮气气氛下进行的；

4)在0.01～0.5MPa氮气压力下，进行熔炼；

5)在0.01～0.5MPa氮气压力下，采用离心浇铸或在电磁搅拌情况下进行浇铸，在浇铸凝固过程中金属液流动的线速度不低于1.7m/s；金属液在铸型中的压力0.01～1MPa；

6)铸型为砂型、溶模壳型或金属型；

7)金属完全凝固后，停止压力场和流场外力作用；

8)对凝固合金的微观组织结构进行分析。

2.如权利要求1所述的一种纳米颗粒在钢液中制备方法，其特征是低碳合金钢的化学成份为：0.1～0.25wt.％C、0～0.55wt.％Si，0.5～2wt.％Mn、0～0.05wt.％P、0～0.05wt.％S、0～1.5wt.％Al、0～1wt.％RE、0～5wt.％Cr、0～5wt.％Ni、0～1wt.％Mo、0～0.5wt.％V、0～0.5wt.％Nb、0.02～1wt.％Ti、0.02～0.8wt.％N、余量Fe。