CN105483326A - 一种纳米金属变质剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米金属变质剂，其原料按质量份构成为：纳米粉10-15份，硅铝合金粉10-20份，K2O粉5-10份，Na2O粉3-9份，CaO粉2-8份，Mg粉10-16份，硼铁粉5-10份，粘结剂3-5份，余量为钛铁粉；所述粘结剂为玻璃水和膨润土。本发明纳米金属变质剂有细化晶粒的作用，既能提高材料的强度,又能提高材料塑性,同时也能显著提高其力学性能，本发明能显著地提高钢铁材料的强度、硬度和韧性。

Description

一种纳米金属变质剂及其制备方法

技术领域

本发明属于金属冶炼变质技术领域，具体涉及一种纳米金属剂及其制备方法。

背景技术

变质剂广泛用于冶金行业，变质处理是改善合金微观组织，提高合金力学性能的常用有效手段，尤其在细化合金微观组织，进而改善合金的强度、硬度、生长率、冲击韧性及热稳定性等方面，具有重要作用和意义。常用变质剂分为合金变质剂和化合物变质剂两大类。合金变质剂中的变质元素以单质和(或)金属间化合物形式存在，加入金属熔体后熔融并扩散到熔体中，发挥变质作用。盐类变质剂中的变质元素以化合物形式存在，加入金属熔体后与熔体金属发生置换反应，变质元素进入熔体，发挥变质作用，从变质剂的制备及应用全流程看，合金变质经历异地的冶炼、变质剂制备、变质处理等多个环节，经历多次加热及重熔，能耗大，烧损大，资源、能源利用率低，还可能存在变质合金不良组织遗传恶化变质效果等问题。与合金变质剂相比，化合物变质剂制造成本较低，技术经济性更好。化合物变质剂加入熔体金属后，必须与熔体金属发生置换反应，变质元素才能进入熔体，发挥变质作用。因此要求变质剂与熔体间有足够的接触界面，以实现化学反应和界面传质的动力学和热力学过程。现有技术的化合物变质剂多为粉状，无论以固相形式与熔体接触，还是以熔盐形式与熔体接触，其接触面积均较小，化学反应和界面传质阻力大，导致变质剂利用率(吸收率)低，增加变质剂用量则会加大生产成本并带入较多杂质，而且，有时增加变质剂用量后，金属熔体中变质元素含量仍达不到要求。

根据国内外研究资料显示,要大幅度提高钢铁材料的综合性能最有效的办法就是净化钢水和铁水、细化晶粒、弥散硬化、合理的热处理工艺等技术是提高材料性能和质量的最有效的措施。

近年来人们将纳米材料作为变质剂引入到刚铁的冶炼过程中，纳米材料具有许多特殊的性能，如韧性高、耐磨性高等。纳米变质技术打破了钢铁耐磨材料生产中的一些常规规律。通常，在钢铁耐磨材料强化过程中提高硬度必然伴随韧性下降，但由于纳米合金变质剂的高表面活性以及它在细化晶粒过程中同时起到弥散硬化作用，所以经常能够达到同时提高合金硬度及韧性的综合效果。由于纳米材料特有的性质，如何将纳米粒子加入到钢铁材料液体中的始终是一个非常困难的课题，这也制约着纳米材料的应用。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种纳米金属变质剂及其制备方法，本发明一种纳米金属变质剂是以分散尺寸极细并有巨大表面能的纳米材料为主体的特种添加剂，既能增加结晶核心，明显的细化晶粒和改变基体组织结构，又能在组织中形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体滑移和磨损，同时提高钢铁材料的强度、硬度和韧性。本发明纳米金属变质剂在保证产品使用性的同时，可减少生产加工工艺，减少部分稀贵金属的使用，降低成本，节约资源。

(二)技术方案

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来是实现:

一种纳米金属变质剂，其原料按质量份构成为：纳米SiC10-15份，硅铝合金粉10-20份，K2O粉5-10份，Na2O粉3-9份，CaO粉2-8份，Mg粉10-16份，硼铁粉5-10份，粘结剂3-5份，余量为钛铁粉。

一种纳米金属变质剂，所述纳米粉为纳米SiC、纳米TiN和纳米VN中的一种。

一种纳米金属变质剂，所述粘结剂为玻璃水和膨润土，其中膨润土的质量为粘结剂质量的2％，余量为玻璃水。

一种纳米金属变质剂，所述纳米SiC的粒径小于50nm。

一种纳米金属变质剂的制备方法，按以下步骤操作：

步骤一、将纳米粉和硅铝合金粉混合均匀得到混合料a；

步骤二、将所述混合料a、K2O粉、Na2O粉和CaO粉混合均匀得到混合料b；

步骤三、将所述混合料b、Mg粉、硼铁粉和钛铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀。

(三)有益效果

本发明提供了一种纳米金属变质剂及其制备方法，本发明纳米金属变质剂加入钢水或铁水中，其中的纳米硬质颗粒可以直接作为形核中心，大大增加成晶数量和细化晶粒尺寸，改善合金的硬度、韧性、抗拉和耐磨性，具有细晶强化的作用；本发明纳米金属变质剂采用的纳米粉体系为纳米碳、氮化物，晶格为立方型，高熔点、高硬度，表面活性大，晶格匹配度高，颗粒分布均匀(30-50nm)，可以自发的填补晶体中的缺陷，在组织中形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体滑移和磨损，对合金起到弥散强化的作用；在保证本发明纳米金属变质剂产品使用性的同时，可适当调整或取消部分生产加工工艺，减少或取消部分稀贵金属的使用，降低成本，节约资源，实现节能、可持续发展。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例中纳米金属变质剂的原料及构成如下：纳米SiC12份，硅铝合金粉15份，K2O粉8份，Na2O粉5份，CaO粉5份，Mg粉12份，硼铁粉8份，粘结剂5份，钛铁粉30份。

制备方法：

步骤一、将纳米粉和硅铝合金粉混合均匀得到混合料a；

步骤二、将所述混合料a、K2O粉、Na2O粉和CaO粉混合均匀得到混合料b；

步骤三、将所述混合料b、Mg粉、硼铁粉和钛铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀。

含纳米SiC陶瓷颗粒的纳米金属变质剂除具有细化晶粒和弥散强化的功能外，SiC陶瓷粉硬度高，介于刚玉和金刚石之间，可弥散于金属基体中，提高基体的硬度、强度及耐磨性。驻马店某公司为专业生产汽车零部件的企业。在铸造高强度铸铁HT250-300的过程中，出现疏松性较差、成品率不高等问题。其主要原因为：产品致密不好，晶粒粗大。为决解这些问题，将本实施例制备的纳米金属变质剂加入钢水中，纳米金属变质剂按钢水重量的0.1％加入。实验结果证明，使用本实施例中的纳米金属变质剂产品后其铸件的致密性大大提高，晶粒细化效果明显。充分的解决了其疏松性问题。成品率从原来的30-40％提高90-98％以上。

实施例2：

本实施例中纳米金属变质剂的原料及构成如下：纳米TiN15份，硅铝合金粉15份，K2O粉8份，Na2O粉8份，CaO粉5份，Mg粉16份，硼铁粉8份，粘结剂5份，钛铁粉35份。

本实施例的制备方法同实施例1。

纳米TiN与奥氏体晶格匹配度高，含纳米TiN陶瓷颗粒的金属变质剂能够强烈的细化奥氏体晶粒，大幅度的提高金属的韧性。马鞍山某铸造厂，衬板韧性不足，易碎。将本实施例制备的纳米金属变质剂加入钢水中，纳米金属变质剂按钢水重量的0.1％加入，经纳米变质剂变质后，晶粒明显细化，铸态韧性提高了35％，热处理后韧性提高了100％。大大提升衬板的使用寿命。

实施例3：

本实施例中纳米金属变质剂的原料及构成如下：纳米VN12份，硅铝合金粉20份，K2O粉8份，Na2O粉8份，CaO粉5份，Mg粉14份，硼铁粉8份，粘结剂4份，钛铁粉40份。

本实施例的制备方法同实施例1。

纳米VN具有优良的晶格匹配度及硬度，因此，含纳米VN陶瓷颗粒的金属变质剂综合效果优良，可明显的提高基体的韧性及强度，大幅度的提高金属的综合力学性能及耐磨性。湖北某特钢厂想开发出高体机械性能的H13新钢种。经本实施例制备的纳米金属变质剂变质后，H13的强度和韧性都有了明显的提高，其中，纵向冲击功提高26.29％；横向冲击功提高112.89％。大大提升了钢种的品质。

表1变质前后强度对比表

表2变质前后韧性对比表

项目	纵向冲击功(J/cm2)	横向冲击功(J/cm2)
			H13传统型	172	45
H13+变质剂	235	87

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种纳米金属变质剂，其特征在于其原料按质量份构成为：纳米SiC10-15份，硅铝合金粉10-20份，K2O粉5-10份，Na2O粉3-9份，CaO粉2-8份，Mg粉10-16份，硼铁粉5-10份，粘结剂3-5份，余量为钛铁粉。

2.根据权利要求1所述的纳米金属变质剂，其特征在于：所述纳米粉为纳米SiC、纳米TiN和纳米VN中的一种。

3.根据权利要求1所述的纳米金属变质剂，其特征在于：所述粘结剂为玻璃水和膨润土，其中膨润土的质量为粘结剂质量的2％，余量为玻璃水。

4.根据权利要求1所述的纳米金属变质剂，其特征在于：所述纳米SiC的粒径小于50nm。

5.一种如权利要求1-4其中之一所述的纳米金属变质剂的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：

步骤一、将纳米粉和硅铝合金粉混合均匀得到混合料a；

步骤二、将所述混合料a、K2O粉、Na2O粉和CaO粉混合均匀得到混合料b；

步骤三、将所述混合料b、Mg粉、硼铁粉和钛铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀。