CN105463287B

CN105463287B - 一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN105463287B
Application number: CN201510998806.9A
Authority: CN
Inventors: 陈来祥
Original assignee: MAANSHAN ZHONGKE METALLURGICAL MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: MAANSHAN ZHONGKE METALLURGICAL MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105463287A

Abstract

本发明公开了一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用，属于合金材料研制技术领域。本发明的多元素氮化合金材料包括V：9～48％，Si：13～45％，Mn：0.05～9％，Fe：3.3～14％，N：15～30.5％，Cr：0.01～5.0％，Al：0.06～2.0％，Ti：0～7.0％，B：0～6.5％，Nb：0～4.5％，C≤1.8％，P≤0.1％，S≤0.1％。本发明根据各元素与氮的结合能力不同，能有效地将合金中氮元素含量控制在合理的范围内，同时可根据实际用途的需要，将氮含量在较宽的范围内调整，给钢水微合金化强化工艺带来极大方便，在制备和使用过程中安全环保，无烟尘、无粉尘、无气味。

Description

一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于合金材料领域，更具体地说，涉及一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

氮化合金是在钢铁冶炼过程中使用较广泛的一种合金，在当今的钢铁生产中，为了提高钢材的强度，需要在炼钢的过程中加入钒铁或铌铁等合金通过微合金化来达到这种效果。为了充分发挥钒、铌的微合金强化作用，一般都需要在炼钢时加入适量的氮化合金，与微合金元素铌、钒形成强的碳氮化物，提高微合金元素的析出强化和沉淀强化作用。因此在钢铁冶炼中，氮化合金的使用是较广泛的。目前氮化合金均以单一元素与氮反应结合生成氮化合金，如氮化钒、氮化硅、氮化锰、氮化钛、氮化铬、氮化硼、氮化铌等氮化合金，冶金方面，生产高强度、耐磨、耐蚀等特殊性能要求的钢种时，通常采用钢水微合金化技术，如生产高强度耐蚀钢时，通常在合适的炼钢工艺下分别配加单一元素氮化合金，但上述方法存在以下几点突出的问题，一是合金有效利用率低，二是多品种单一元素氮化合金的配加时间和加入顺序及加入量比，对炼钢工艺的设计和实施提出了苛刻要求，三是对钢性能的强化效果不充分、不稳定，四是使用成本高。中国专利申请号为201110353305.7，申请公布日为2012年4月11日的专利申请文件公开了用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金及其生产工艺，按金属硅30-80％，单晶硅0.5-20％，多晶硅0.5-30％，钒合金或金属钒0.5-5％，铌合金或金属铌0-10％及铁10-35％混合在真空氮化炉中，在微波场以及氮气条件下，在800-1450℃进行保温，然后降温到700-900℃保温，随炉冷却后磨成细粉加入活性剂，或成型为固体颗粒后进入氩气保护活化炉内处理，冷却，但是该发明存在以下不足之处：(1)选配料不合理，金属硅或单晶硅或多晶硅与氮化合的效果远不如硅铁与氮化合的效果好，其成本却成倍增加；(2)加入10～35％单纯的铁，在该工艺条件下几乎没有氮化效果，金属铌或铌合金在该工艺条件下氮化效果也很差；(3)设备选型存在不确定性，真空氮化炉一般都是对钢铁成品件或陶瓷类成品件进行表面渗氮处理。用于上述原材料与氮进行化合是否可行不确定。中国专利申请号为201210377151.X，申请公布日为2012年12月19日的专利申请文件公开了一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，它包括有线芯和包覆钢带，其技术要点在于：包芯线的线芯由增钒剂、增氮剂和脱氧固氮剂三部分组成，各组分的粒度小于6mm，增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒；增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙；脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由它们组成的合金，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种，但是该发明存在以下不足之处：(1)钒铁、氮化钒铁、五氧化二钒是其结构和性质完全不同的物质，如V₂O₅是V的氧化物，加入钢中将成为一种氧化物夹杂对钢质不起任何强化作用；(2)脱氧固氮剂是以分散颗粒状与其它材料用钢带包成包芯线，在加入钢水过程中因其各物质的熔点和比重的差别，它们几乎结合不到一起，其中脱氧剂优先与钢中氧结合而形成脱氧产物变成钢中夹杂。

单元素氮化合金在实际应用中主要存在的问题：一是单元素氮化合金对钢水强化效果不能充分发挥，合金消耗成本高；二是一种或几种单元素氮化合金以颗粒状或块状分散加入，导致钢水微合金化工艺控制难，强化效果不稳定，目标钢种命中率低。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有单一元素氮化合金在钢水微合金化中的有效利用率低，微合金化工艺时间长且复杂，对钢性能强化效果不充分不稳定，以及综合使用成本高的问题，本发明提供一种多元素氮化合金及其制备方法和应用，其能使有效利用率提高，优化微合金化工艺，对钢性能强化效果充分且稳定，综合使用成本降低。本发明针对上述存在的问题：一是选择V、Ti、B、Nb几种强化效果较优的元素和Si、Mn、Cr与N化合其含N容量高的元素，一起进行氮化处理，以期得到多元素氮化合金；二是上述所选元素合理配比的设计、筛选和优化，宗旨是提高氮化合金的性价比、强化效果和工艺稳定性；三是试验和选择多元素氮化合金的制备方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种多元素氮化合金材料，将多种金属元素同时与氮元素化合得到，氮化合金材料中包括V、Si、Mn、Fe、N、Cr、Al、C、P和S元素，各元素的质量分数为V：9.0～48％，Si：13～45％，Mn：0.05～9％，Fe：3.3～14％，N：15～30.5％，Cr：0.01～5.0％，Al：0.06～2.0％，C≤1.8％，P≤0.1％，S≤0.1％。

优选地，多元素氮化合金材料中还包括Ti、B和Nb元素，各元素的质量分数为Ti：0～7％，B：0～6.5％，Nb：0～4.5％、。

优选地，各元素的质量分数为V：11.2～48％，Si：13～41.4％，Mn：2.1～9％，Cr：0.5～5％，Fe：3.3～14％，N：15～26.3％，Al：0.06～2.0％，B：0～6.5％，Ti：0～7％，Nb：0～4.5％，C≤1.8％，P≤0.1％，S≤0.1％。

上述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其步骤为：

a.选择原材料：钒铁、硅铁、金属硅、锰铁、金属锰、钛铁、铬铁、硼铁、铌铁；

b.将步骤a中选定的材料分别破碎成粒度≤10mm，然后磨粉，其细度≤0.15mm；

c.按比例将步骤b中得到的各原料细粉进行配料，然后加结合剂2～3％(质量分数)混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；

d.将步骤c中得到的压块放入真空炉内加热到680～750℃保温，并向炉膛充入保护气体，预处理3～5小时；

e.将预处理后的压块放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气，压力≥0.15Mpa，先升温至900～1000℃保温3～4小时，然后升温至1150～1200℃保温9～10小时，继续升温至1300～1350℃保温6～8小时，直至加热到1450～1530℃温度下保温10～12小时；

f.氮化处理结束后，随炉自然缓冷到300℃以下，然后出炉冷却得到多元素氮化合金，粒径为5～60mm。

优选地，所述步骤a中钒铁的组成成分及各组分的质量分数为：V：50～75％，C≤0.75％，Si≤2.5％，Al≤3.0％，P≤0.1％，S≤0.1％，余量为Fe和Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的组成成分及各组分的质量分数为：Si：72～75％，Mn≤0.5％，Cr≤0.5％，P≤0.10％，S≤0.1％，余量为Fe和C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；金属硅的组成成分及各组分的质量分数为：Si≥98％，Fe≤1.0％，Al≤0.6％和C、Ca、Mg等不可避免的杂质；锰铁的组成成分及各组分的质量分数为：Mn：65～75％，C≤5.5％，Si≤4.5％，P≤0.2％，S≤0.3％，余量为Fe和Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；金属锰的组成成分及各组分的质量分数为：Mn≥96％，Fe≤2.5％，Si≤0.5％，C≤0.15％，P≤0.06％，S≤0.05％和Ca、Mg等不可避免的杂质。

优选地，所述步骤a中钛铁的组成成分及各组分的质量分数为：Ti：68～72％，Al≤5.0％，Si≤1.0％，P≤0.04％，S≤0.04％，Mn≤1.5％，C≤0.30％，余量为Fe；铬铁的组成成分及各组分的质量分数为：Cr：52～60％，C≤1.0％，Si≤3.0％，P≤0.06％，S≤0.05％，余量为Fe；硼铁的组成成分及各组分的质量分数为：B：14～19％，C≤2.5％，Si≤10％，Al≤2.0％，S≤0.1％，P≤0.2％，余量为Fe；铌铁的组成成分及各组分的质量分数为：Nb：48～55％，C≤0.05％，Si≤10％，Al≤2.0％，S≤0.03％，P≤0.05％，余量为Fe。

优选地，所述步骤c中的结合剂由聚硼硅氧烷、硼砂、聚合树脂、羧甲基纤维素、丁基硬脂酸盐和聚乙烯醇组成。

优选地，所述步骤c中结合剂的各组成成分的质量分数为：聚硼硅氧烷27～33％、硼砂16～21％、聚合树脂19～24％、羧甲基纤维素11～17％、丁基硬脂酸盐7～10％和聚乙烯醇5～9％该结合剂的显著特点是在低温下有合适的粘结性并润滑，使得压块规整结实，在一定的温度下和气氛下易于硬化固化并使其中的有机物和挥发份脱除形成网络状的细小的密集的空隙，结合剂的残存物主要是对氮化合金有益的元素如Si、B等，这些优势将在合金元素氮化工艺过程中得到集中体现。

优选地，所述步骤d中保护气体为氩-氮混合气体，其中Ar气的纯度≥99.9％，N₂纯度≥99.5％。

优选地，氩-氮混合气体中氩气体积分数为80～95％。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用多种元素同时与氮元素化合形成氮化合金，用于钢水微合金化时，因正相关作用，可以提高强化作用，合金元素的利用率大幅提高；

(2)本发明中提供的制备工艺使多种元素同时与氮元素化合形成氮化合金成为现实，其中廉价的元素如Si、Mn、Cr可以部分取代贵重的元素V、B、Nb、Ti，使产品的性价比大幅提高；

(3)本发明以独特的成分设计使多种元素与氮元素化合形成氮化合金，各元素与氮的结合能力不同，能有效地将合金中氮元素含量控制在合理的范围内，同时可根据实际用途的需要，将氮含量在较宽的范围内调整，给钢水微合金化强化工艺带来极大方便；

(4)本发明的多元素氮化合金在钢水微合金化过程中，使多种元素合金与氮结合形成弥散的氮化物在钢中析出和细化铁素体晶粒沉淀于晶格之间，可获得钢质性能强化、耐磨、耐蚀多项冶金效果；

(5)本发明涉及的多元素氮化合金材料在制备和使用过程中安全环保，无烟尘、无粉尘、无气味；

(6)本发明涉及的多元素氮化合金材料与现有产品相比，在获得同样效果的前提下可显著降低成本，综合使用成本与原工艺相比可降低30％以上；

(7)本发明在钢水精炼过程中充入氩-氮混合气体，在钢水中形成局部富N区，使多元素氮化合金的功效更好地发挥，多元素氮化合金可以在一个稳定的、合适的热力学条件和动力学条件下与钢水熔合；

(8)本发明多元素氮化合金的制备方法将压块放入真空炉内加热预处理，其主要目的是使结合剂进一步固化提高压块强度，以保证在以后的氮化过程中不破裂，同时使其结合剂中的有机物和挥发份脱除在压块中形成网络状的细小的密集的空隙，以及残存物Si、B等元素对合金元素氮化有益，以保证合金元素在氮化过程中与氮充分地、均匀地化合，极大地改善和克服了以往合金氮化工艺存在不充分、不均匀和效率低等问题，使产品品质和稳定性得到了极大的提高。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

(1)选择原材料，钒铁、硅铁、锰铁、铬铁和铌铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：50％，C：0.45％，Si：2.1％，Al：2.5％，P：0.06％，S：0.05％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：75％，Mn：0.4％，Cr：0.2％，P：0.15％，S：0.06％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；铬铁的各组分质量分数为Cr：60％，C：1.0％，Si：2.6％，P：0.05％，S：0.04％，余量为Fe；铌铁的各组分质量分数为Nb：48％，C：0.04％，Si：8.7％，Al：2.0％，S：0.03％，P：0.04％，余量为Fe；锰铁的各组分质量分数为Mn：75％，C：3.2％，Si：4.5％，P：0.2％，S：0.3％，余量为Fe和微量Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；以上分数为质量分数；

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷27％、硼砂21％、聚合树脂19％、羧甲基纤维素17％、丁基硬脂酸盐7％和聚乙烯醇9％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N气体，氩气体积分数为80％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理5h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.17Mpa，炉内第一阶段温度控制在900～1000℃，保温3h，第二阶段温度控制在1150～1200℃，保温10h，第三阶段温度控制在1300～1350℃，保温8h，再加热到1450～1530℃，保温10h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：15％，V：48％，Si：13％，Mn：2.1％，Cr：5.0％，Nb：2.6％，Fe：11.7％，Al：0.5％，C：1.8％，P：0.1％，S：0.05％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金；以上分数为质量分数；

将该多元素氮化合金用于转炉公称容量120吨，钢种40CrV。其钢水经本实施例中的多元素氮化合金处理后其成分为C：0.41％，Si：0.29％，Mn：0.72％，Cr：0.96％，V：0.038％，Nb：0.017％，N：0.009％，S：0.021％，P：0.019％，余量为Fe。在钢水精炼过程中向钢水中吹入氩-氮混合气体，时间6分钟，流量6.5m³/min。其钢质性能抗拉强度为986Mpa，屈服强度为812Mpa，伸长率为16％，收缩率为57％，大幅度超出国标要求(国标中规定40CrV的抗拉强度≥885Mpa，屈服强度≥735Mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥50％)；综合使用成本比原工艺降低38％。

实施例2

(1)选择原材料，硅铁、钒铁、锰铁、钛铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：75％，C：0.75％，Si：2.5％，Al：3.0％，P：0.1％，S：0.08％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：72％，Mn：0.5％，Cr：0.5％，P：0.1％，S：0.1％；余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；钛铁的各组分质量分数为Ti：72％，Al：3.2％，Si：1.0％，P：0.04％，S：0.03％，Mn：1.5％，C：0.30％，余量为Fe；锰铁的各组分质量分数为Mn：65％，C：5.5％，Si：2.1％，P：0.17％，S：0.25％，余量为Fe和微量Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；以上分数为质量分数；

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2.5％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷33％、硼砂16％、聚合树脂24％、羧甲基纤维素11％、丁基硬脂酸盐10％和聚乙烯醇6％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N混合气体，氩气体积分数为90％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理3h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.15Mpa，炉内第一阶段温度控制在900～1000℃，保温4h，第二阶段温度控制在1150～1200℃，保温9h，第三阶段温度控制在1300～1350℃，保温6h，再加热到1450～1530℃，保温12h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：26.3％，V：9％，Si：41.4％，Mn：9％，Ti：7.0％，Fe：4.5％，Al：2.0％，Cr：0.04％，C：0.3％，P：0.08％，S：0.06％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金；以上分数为质量分数；

将该多元素氮化合金用于转炉公称容量200吨，钢种30Mn2。其钢水经本实施例中的多元素氮化合金处理后其成分为C：0.29％，Si：0.31％，Mn：1.48％，V：0.022％，Ti：0.07％，N：0.011％，S：0.02％，P：0.018％，余量为Fe。在钢水精炼过程中向钢水中吹入氩-氮混合气体，时间11分钟，流量4.0m³/min。其钢质性能抗拉强度为971Mpa，屈服强度为776Mpa，伸长率为17％，收缩率为52％，大幅度超出国标要求(国标中规定30Mn2的抗拉强度≥785Mpa，屈服强度≥635Mpa，伸长率≥12％，断面收缩率≥45％)；综合使用成本比原工艺降低35％。

实施例3

(1)选择原材料，钒铁、金属硅、金属锰、硼铁、铬铁、钛铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：65％，C：0.12％，Si：0.8％，Al：1.3％，P：0.03％，S：0.1％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；金属硅的各组分质量分数为：Si：98％，Fe：1.0％，Al：0.6％，余量为微量C、Ca、Mg等不可避免的杂质；金属锰的各组分质量分数为Mn：96％，Fe：2.5％，Si：0.5％，C：0.15％，P：0.05％，S：0.04％和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硼铁的各组分质量分数为B：19％，C：2.5％，Si：10％，Al：2.0％，S：0.1％，P：0.2％，余量为Fe；铬铁的各组分质量分数为Cr：52％，C：0.6％，Si：3.0％，P：0.06％，S：0.05％，余量为Fe；钛铁的各组分质量分数为Ti：68％，Al：5.0％，Si：0.6％，Mn：1.1％，C：0.2％，P：0.027％，S：0.04％，余量为Fe；以上分数为质量分数；

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加3％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷31％、硼砂20％、聚合树脂22％、羧甲基纤维素13％、丁基硬脂酸盐9％和聚乙烯醇5％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N气体，氩气体积分数为95％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理3.5h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.17Mpa，炉内第一阶段温度控制在900～1000℃，保温3.5h，第二阶段温度控制在1150～1200℃，保温9.5h，第三阶段温度控制在1300～1350℃，保温7h，再加热到1450～1530℃，保温11h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：30.5％，V：11.2％，Si：45％，Mn：0.75％，Cr：1.2％，B：6.5％，Fe：3.3％，Ti：1.05％，Al：0.1％，C：0.12％，P：0.05％，S：0.06％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金；以上分数为质量分数；

将该多元素氮化合金用于转炉公称容量90吨，冶炼钢种20MnTiB。其钢水经本实施例中的多元素氮化合金处理后其成分为C：0.21％，Si：0.28％，Mn：1.51％，Cr：0.009％，V：0.016％，B：0.0023％，Ti：0.072％，N：0.010％，P：0.020％，S：0.017％。其钢质性能均值抗拉强度为1277Mpa，屈服强度为1068Mpa，伸长率为14％，收缩率为49％，大幅度超出国标要求(国标中规定20MnTiB的抗拉强度1130Mpa，屈服强度930Mpa，伸长率10％，断面收缩率45％)。综合使用成本比原工艺降低40％。

实施例4

(1)选择原材料，硅铁、金属硅、钒铁、硼铁、铌铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：55％，C：0.10％，Si：1.2％，Al：0.9％，P：0.06％，S：0.08％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：73％，Mn：0.3％，Cr：0.2％，P：0.15％，S：0.08％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；硼铁的各组分质量分数为B：14％，C：1.6％，Si：6.2％，Al：0.7％，P：0.12％，S：0.07％，余量为Fe；铌铁的各组分质量分数为Nb：55％，Al：1.3％，Si：10％，P：0.05％，S：0.03％，C：0.05％，余量为Fe；金属硅的各组分质量分数为：Si：98.7％，Fe：0.6％，Al：0.23％，余量为微量C、Ca、Mg等不可避免的杂质；以上分数为质量分数；

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2.5％结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷29％、硼砂18％、聚合树脂22％、羧甲基纤维素17％、丁基硬脂酸盐8％和聚乙烯醇6％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N气体，氩气体积分数为85％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理4h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.18Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温4h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温10h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温8h，再加热到1450～1530℃，保温12h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：22.7％，V：26.9％，Si：27.3％，Mn：0.05％，B：2.8％，Nb：4.5％，Fe：14％，Al：0.06％，Cr：0.01％，C：1.3％，P：0.03％，S：0.10％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金，以上分数为质量分数。

将该多元素氮化合金用于转炉公称容量180吨，钢种20MnNb。其钢水经本实施例中的多元素氮化合金处理后其成分为C：0.20％，Si：0.14％，Mn：1.33％，V：0.024％；B：0.011％，Nb：0.013％，N：0.008％，S：0.022％，P：0.020％。其钢质性能：抗拉强度为716Mpa，屈服强度为453Mpa，伸长率为23％，大幅度超出国标要求(国标中规定20MnNb的抗拉强度≥490Mpa，屈服强度≥315Mpa，伸长率≥16％)；综合使用成本比原工艺降低30％。

实施例5

(1)选择原材料，钒铁、硅铁、锰铁、铬铁和铌铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：50％，C：0.45％，Si：2.1％，Al：2.5％，P：0.06％，S：0.05％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：75％，Mn：0.4％，Cr：0.2％，P：0.15％，S：0.06％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；铬铁的各组分质量分数为Cr：60％，C：1.0％，Si：2.6％，P：0.05％，S：0.04％，余量为Fe；铌铁的各组分质量分数为Nb：48％，C：0.04％，Si：8.7％，Al：2.0％，S：0.03％，P：0.04％，余量为Fe；锰铁的各组分质量分数为Mn：75，C：3.2％，Si：4.5％，P：0.2％，S：0.3％，余量为Fe和微量Al、Ca、Mg等不可避免的杂质，以上分数为质量分数。

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷29％、硼砂19％、聚合树脂21％、羧甲基纤维素15％、丁基硬脂酸盐9％和聚乙烯醇7％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N气体，氩气体积分数为90％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理5h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.17Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温3h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温10h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温8h，再加热到1450～1530℃，保温10h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：15％，V：48％，Si：13％，Mn：2.1％，Cr：5.0％，Nb：2.6％，Fe：11.7％，Al：0.5％，C：1.8％，P：0.1％，S：0.05％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金；以上分数为质量分数。

(5)将(4)中所述的多元素氮化合金破碎成0.01～5.5mm颗粒，并用钢带包覆成直径为9mm的多元素氮化合金包芯线。

将该多元素氮化合金包芯线用于转炉公称容量120吨，钢种40CrV的冶炼。其钢水经本实施例中的多元素氮化合金处理后其成分为C：0.402％，Si：0.26％，Mn：0.69％，Cr：0.98％，V：0.042％，Nb：0.018％，N：0.010％，S：0.021％，P：0.019％。其钢质性能：抗拉强度为977Mpa，屈服强度为810Mpa，伸长率为17％，收缩率为54％，大幅度超出国标要求(国标中规定40CrV的抗拉强度≥885Mpa，屈服强度≥735Mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥50％)；综合使用成本比原工艺降低37％。

实施例6

(1)选择原材料，钒铁、金属硅、硼铁、铬铁、钛铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：65％，C：0.12％，Si：0.8％，Al：1.3％，P：0.03％，S：0.1％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；金属硅的各组分质量分数为：Si：98％，Fe：1.0％，Al：0.6％，余量为微量C、Ca、Mg等不可避免的杂质；硼铁的各组分质量分数为B：19％，C：2.5％，Si：10％，Al：2.0％，S：0.1％，P：0.2％，余量为Fe；钛铁的各组分质量分数为Ti：68％，Al：5.0％，Si：0.6％，Mn：1.1％，C：0.2％，P：0.027％，S：0.04％，余量为Fe；铬铁的各组分质量分数为Cr：52％，C：0.6％，Si：3.0％，P：0.06％，S：0.05％，余量为Fe；以上分数为质量分数；

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加3％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷28％、硼砂18％、聚合树脂21％、羧甲基纤维素14％、丁基硬脂酸盐10％和聚乙烯醇9％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N气体，氩气体积分数为80％(氩气纯度为≥99.9％，氮气纯度为99.5％)，预处理3.5h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气(氮气纯度为≥99％)，控制氮化炉内压力0.17Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温3.5h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温9.5h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温7h，再加热到1450～1530℃，保温11h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：30.5％，V：11.2％，Si：45％，Mn：0.06％，Cr：1.2％，B：6.5％，Fe：3.3％，Ti：1.6％，Al：0.1％，C：0.12％，P：0.05％，S：0.06％和Ca、Mg等微量杂质的多元素氮化合金。

(5)将(4)中所述的多元素氮化合金破碎成0.5～6.5mm颗粒，并用钢带包覆成直径为22mm的多元素氮化合金包芯线。

将该多元素氮化合金包芯线用于转炉公称容量90吨，冶炼钢种20MnTiB。其钢水经多元素氮化合金处理后其成分为C：0.21％，Si：0.28％，Mn：1.47％，Cr：0.009％，V：0.021％，B：0.0023％，Ti：0.067％，N：0.013％，P：0.022％，S：0.016％。在钢水精炼过程中向钢水中吹入氩-氮混合气体，时间9分钟，流量5.5m³/min。其钢质性能：抗拉强度为1289Mpa，屈服强度为1057Mpa，伸长率为13％，收缩率为51％，大幅度超出国标要求(国标中规定20MnTiB的抗拉强度1130Mpa，屈服强度930Mpa，伸长率10％，断面收缩率45％)综合使用成本比原工艺降低43％。

Claims

1.一种多元素氮化合金材料，其特征在于：将多种金属元素同时与氮元素化合得到，氮化合金材料中包括V、Si、Mn、Fe、N、Cr、Al、C、P和S元素，各元素的质量分数为V：9.0～48％，Si：13～45％，Mn：0.05～9％，Fe：3.3～14％，N：15～30.5％，Cr：0.01～5.0％，Al：0.06～2.0％，C≤1.8％，P≤0.1％，S≤0.1％。

2.根据权利要求1所述的一种多元素氮化合金材料，其特征在于：多元素氮化合金材料中还包括Ti、B和Nb元素，各元素的质量分数为Ti：0～7％，B：0～6.5％，Nb：0～4.5％。

3.权利要求1所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其步骤为：

b.将步骤a中选定的材料分别破碎，然后磨粉；

4.根据权利要求3所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中钒铁的组成成分及各组分的质量分数为：V：50～75％，C≤0.75％，Si≤2.5％，Al≤3.0％，P≤0.1％，S≤0.1％，余量为Fe和杂质；硅铁的组成成分及各组分的质量分数为：Si：72～75％，Mn≤0.5％，Cr≤0.5％，P≤0.10％，S≤0.1％，余量为Fe和杂质；金属硅的组成成分及各组分的质量分数为：Si≥98％，Fe≤1.0％，Al≤0.6％和杂质；锰铁的组成成分及各组分的质量分数为：Mn：65～75％，C≤5.5％，Si≤4.5％，P≤0.2％，S≤0.3％，余量为Fe和杂质；金属锰的组成成分及各组分的质量分数为：Mn≥96％，Fe≤2.5％，Si≤0.5％，C≤0.15％，P≤0.06％，S≤0.05％和杂质。

5.根据权利要求3所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中钛铁的组成成分及各组分的质量分数为：Ti：68～72％，Al≤5.0％，Si≤1.0％，P≤0.04％，S≤0.04％，Mn≤1.5％，C≤0.30％，余量为Fe；铬铁的组成成分及各组分的质量分数为：Cr：52～60％，C≤1.0％，Si≤3.0％，P≤0.06％，S≤0.05％，余量为Fe；硼铁的组成成分及各组分的质量分数为：B：14～19％，C≤2.5％，Si≤10％，Al≤2.0％，S≤0.1％，P≤0.2％，余量为Fe；铌铁的组成成分及各组分的质量分数为：Nb：48～55％，C≤0.05％，Si≤10％，Al≤2.0％，S≤0.03％，P≤0.05％，余量为Fe。

6.根据权利要求3所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤c中的结合剂由聚硼硅氧烷、硼砂、聚合树脂、羧甲基纤维素、丁基硬脂酸盐和聚乙烯醇组成。

7.根据权利要求6所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤c中结合剂的各组成成分的质量分数为：聚硼硅氧烷27～33％、硼砂16～21％、聚合树脂19～24％、羧甲基纤维素11～17％、丁基硬脂酸盐7～10％和聚乙烯醇5～9％。

8.根据权利要求4所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤d中保护气体为氩-氮混合气体。

9.根据权利要求8所述的一种多元素氮化合金材料的制备方法，其特征在于：氩-氮混合气体中氩气体积分数为80～95％。