CN101967534A

CN101967534A - 一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法

Info

Publication number: CN101967534A
Application number: CN 201010280136
Authority: CN
Inventors: 王国承; 方克明
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-12
Filing date: 2010-09-12
Publication date: 2011-02-09

Abstract

本发明是一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，涉及炼钢及钢铁材料强韧化技术领域。通过超声分散、与高纯铁粉混合球磨分散及压制成形的方法制备成纳米添加剂颗粒；在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流加入或直接加入钢包底部，另外，在连铸结晶器或模铸中注管中加入部分纳米添加剂颗粒。由于采用预分散的方法制成纳米添加剂颗粒，所以可以实现纳米颗粒加入钢液中后达到高度弥散化、均匀化，从而可作为夹杂物形核和钢液凝固结晶的形核核心，弥散细化夹杂物、细化钢的晶粒，达到提高钢材强韧性的目的。本发明还可以用于除钢铁材料以外的其他金属或合金结构材料的强韧化处理。

Description

一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法

技术领域

本发明涉及炼钢及钢铁材料强韧化技术，具体地说，是提供了一种在炼钢过程中通过外加纳米颗粒来提高钢的强度和韧性的方法。

背景技术

钢铁材料的强韧化是钢铁工业领域的重要课题，是钢材减量化和长寿化使用，实现节能降耗的重要途径，是发展高性能钢的必由之路。当前钢的强韧化基本方法有以下几种：高纯化冶炼(通过各种精炼手段，尽可能降低有害元素含量，合理控制夹杂物状态)，合金化和微合金化(在钢中形成细微析出相，与显微缺陷作用形成强化)，晶粒细化和均匀化(通过多道次轧制和控轧控冷实现)，薄板坯连铸连轧钢中纳米析出相的综合强韧化以及热处理强化等。虽然钢的强韧化方法途径很多，但这些强化方法的共同基础是冶炼必须提供较高洁净度的钢液。目前，通过精炼降低有害元素含量已达到了较高水平，即使如此，但如果钢中存在大颗粒夹杂物，仍然会对钢材性能有极大破坏作用。因此，如何在炼钢过程中进行夹杂物的合理控制成为洁净钢生产和研究的关键问题之一。目前，对于夹杂物的塑性化控制，在个别钢种(如硬线钢)中已有较为成熟的工艺方法，但是如何进行夹杂物的尺寸细化控制仍没有很好的方法，这成为当前发展高性能钢铁材料的瓶颈。

发明内容

针对上述存在的问题，借鉴纳米科技的发展成果，本发明目的是提供一种在炼钢过程中，通过向钢液中外加高熔点纳米级颗粒的方法来增加钢液中的固态质点，利用纳米粒子作为新生夹杂物和钢液结晶的非均匀形核质点，以弥散细化夹杂物和钢的晶粒，从而提高钢的强度和韧性的方法，即一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，属于高温物理冶金的方法。

本发明的技术方案是：一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，在炼钢过程中加入纳米添加剂颗粒。

在炼钢过程中加入纳米添加剂颗粒步骤如下：

(1)将纳米粉加入无水乙醇中进行超声分散，待乙醇完全挥发；

(2)将经过超声分散的纳米粉体与对钢液无污染的辅料按质量比1∶8-10进行配料，通过球磨机球磨混合48小时以上；

(3)将第(2)步混合均匀的混合粉体用粉末成型机压制成形为纳米添加剂颗粒；

(4)在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流加入第(3)步成形的纳米添加剂颗粒，或者出钢前直接加入至钢包底部。

所述纳米粉为纳米Al₂O₃粉、纳米TiN粉或纳米Al₂O₃和TiN混合粉。

所述辅料为Fe含量≥99％的铁粉。

纳米粉分散在铁粉中，其通过成型机压制成为方形或圆柱形的纳米添加剂颗粒，方形的边长a范围为10mm≤a≤15mm，圆柱形直径d和高h范围为10mm≤d≤15mm，10mm≤h≤15mm。

纳米添加剂颗粒按每吨钢液加入200g计算，即质量百分比为0.02％。

纳米添加剂颗粒可以在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流一次加入或者出钢前一次直接加入至钢包底部；也可在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流加入80％的纳米添加剂颗粒或者出钢前直接加入80％的纳米添加剂颗粒至钢包底部，余下的20％的纳米添加剂颗粒在连铸结晶器或模铸的中注管中加入。

纳米粉为纳米Al₂O₃和TiN混合粉时，其混合比例是任意的。

与传统的高纯化冶炼及各种强韧化方法比较，本发明的工艺方法不改变现有炼钢生产工艺，不增加炼钢设备，不污染钢液和环境，不增加劳动强度等优点，特别是钢的力学性能有较大幅度的提高，如对55SiMnMo钢，添加0.02％纳米Al₂O₃粒子后，钢的屈服强度、冲击韧性、延伸率均有较大幅度提高，如表1所示，分别提高17.8％、93.8％、60.0％。

表1未加和添加Al₂O₃纳米粉55SiMnMo力学性能比较

具体实施方式

实施例一：

(1)首先，将纳米Al₂O₃粉放入容器中，加入无水乙醇，然后放入超声波清洗机中进行超声分散，分散完毕后待乙醇完全挥发；

(2)将经过超声分散的纳米粉与对钢液无污染的辅料(高纯铁粉)按质量比1∶8进行配料，然后采用球磨机长时间(≥48h)球磨混合；

(3)将第(2)步混合均匀的混合粉体用粉末成型机压制成方形的纳米添加剂颗粒，方形的边长(用a表示)范围10mm≤a≤15mm；

(4)按每吨钢液加入200g纳米粉(即质量百分比为0.02％)计算，称取所需纳米添加剂颗粒的总量；

(5)电炉冶炼，冶炼钢种为中空钢55SiMnMo，钢液成分和温度达到要求后，出钢，随钢流加入纳米添加剂颗粒，加入量为总量的80％，然后加入脱氧剂脱氧；

(6)连铸，在连铸结晶器中加入剩余的纳米添加剂颗粒，加入量为总量的20％；

(7)对铸锭进行锻压加工，变形量为80％，空冷至室温；

(8)检测试样的屈服强度、延伸率和冲击韧性，结果见表1。

实施例二：

(1)首先，将纳米TiN粉放入容器中，加入无水乙醇，然后放入超声波清洗机中进行超声分散，分散完毕后待乙醇完全挥发；

(2)将经过超声分散的纳米粉与对钢液无污染的辅料(高纯铁粉)按质量比1∶10进行配料，然后采用球磨机长时间(≥48h)球磨混合；

(3)将第(2)步混合均匀的混合粉体用粉末成型机压制成圆柱形的纳米添加剂颗粒，圆柱形直径(用d表示)和高(用h表示)范围10mm≤d≤15mm，10mm≤h≤15mm；

(4)按每吨钢液加入200g纳米粉(即质量百分比为0.02％)计算，称量所需纳米添加剂颗粒的总量；

(5)电炉冶炼，冶炼钢种为中空钢55SiMnMo，钢液成分和温度达到要求后出钢。纳米添加剂颗粒提前加入钢包底部，加入量为总量的80％，然后加入脱氧剂脱氧；

(6)模铸，在模铸中注管中加入剩余的纳米添加剂颗粒，加入量为总量的20％；

(7)对铸锭进行锻压加工，变形量为80％，空冷至室温；

(8)检测试样的屈服强度、延伸率和冲击韧性，结果见表2，屈服强度有较大幅度提高，延伸率和冲击韧性减小不大。

表2未加与添加纳米TiN颗粒的55SiMnMo钢机械性能比较

Claims

1.一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：在炼钢过程中加入纳米添加剂颗粒。

2.根据权利要求1所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：在炼钢过程中加入纳米添加剂颗粒步骤如下：

3.根据权利要求2所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：所述纳米粉为纳米Al₂O₃粉、纳米TiN粉或纳米Al₂O₃和TiN混合粉。

4.根据权利要求2所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：所述辅料为Fe含量≥99％的铁粉。

5.根据权利要求2所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：纳米粉分散在铁粉中，其通过成型机压制成为方形或圆柱形的纳米添加剂颗粒，方形的边长a范围为10mm≤a≤15mm，圆柱形直径d和高h范围为10mm≤d≤15mm，10mm≤h≤15mm。

6.根据权利要求2所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：纳米添加剂颗粒按每吨钢液加入200g计算，即质量百分比为0.02％。

7.根据权利要求2或6所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：纳米添加剂颗粒可以在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流一次加入或者出钢前一次直接加入至钢包底部；也可在出钢过程脱氧剂加入之前，随钢流加入80％的纳米添加剂颗粒或者出钢前直接加入80％的纳米添加剂颗粒至钢包底部，余下的20％的纳米添加剂颗粒在连铸结晶器或模铸的中注管中加入。

8.根据权利要求3所述一种外加纳米颗粒强韧化钢铁材料的方法，其特征是：纳米粉为纳米Al₂O₃和TiN混合粉时，其混合比例是任意的。