CN109182887B - 一种氮化钒铁合金的制备方法 - Google Patents

一种氮化钒铁合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氮化钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：（1）将钒源化合物、铁源化合物、还原剂加入去离子水中，进行超声搅拌反应1～3h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1‑1.1∶0.6‑0.85；（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中，于400~500℃下，焙烧8小时以上，再急冷至室温，即得氮化钒铁合金。本发明可以提高最终产品的含氮比例，本发明固氮所需要的温度低，能够有效稳定氮化钒铁合金的结构，提高其性能。

Description

一种氮化钒铁合金的制备方法
技术领域
本发明涉及合金制备领域，具体涉及一种氮化钒铁合金的制备方法。
背景技术
氮元素对微合金化钢中的碳氮化物析出具有优异的强化效果。钢中增氮具有以下作用：(1)可以明显改善钢的韧性和塑性，(2)可以还提高钢的抗热强度和蠕变能力，(3)可以改变钒的相间分布，(4)可以提高钢的持久强度。目前，钢中渗氮的方法主要有添加氮化钒铁、氮化钒、钒铁、富氮锰铁、氮化硅铁等。
氮化钒铁是一种新型钒氮合金添加剂，性能优于钒铁和氮化钒，被广泛用于高强度螺纹钢筋、高强度管线钢、高强度型钢等产品。氮化钒铁比氮化钒比重大，具有更高的吸收率，具有更高的细化晶粒和提升强度、韧性、延展性等功能。
现有的制备氮化钒铁的技术有很多，例如CN105483507A中公开了一种氮化钒铁合金及其制备方法，该方法将钒氧化物、铁氧化物或铁以及碳质还原剂，按比例混合并压制成块，放入高温炉中进行反应生成氮化钒铁。该方法高温反应包括高温碳热还原和中温氮化反应两个阶段。该方法的优点是工艺流程简单，但其缺点是氮化钒铁中氮含量偏低，而且需要高温反应。
CN104046824A中公开了一种氮化钒铁及其制备方法，该方法将钒氧化物、碳质粉末、铁粉、含水粘结剂和氮化促进剂相混合并压实成块状物料，物料干燥后，在高温条件下，经过预热阶段、过渡阶段和氮化烧结阶段制备氮化钒铁。该方法虽然提高了氮的含量，但工艺流程相对复杂。CN103436770A中公开了一种氮化钒铁的制备工艺，以氮气气氛保护，并且通过氮气清洗使得推板窑的封闭仓内外氧含量保持一致，推板窑内依次设有预热区、氮化区、降温区和冷却区四个区域，之后将粒度为5-20mm的50钒铁连续输送至封闭仓，发生氮化反应，得到氮化钒铁。该方法同样存在着工艺复杂以及氮含量偏低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种氮化钒铁合金的制备方法，该方法流程简单，制备过程能耗低，所得氮化钒铁合金含氮量较高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种氮化钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钒源化合物、铁源化合物、还原剂加入去离子水中，进行超声搅拌反应1～3h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1-1.1∶0.6-0.85；
所述混合溶液中钒离子的浓度为0.2～0.5mol/L；浓度过低会降低产量，浓度过高则不利于最终合金的生成。
（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；
所述喷雾干燥进风口温度为220~280℃，喷雾干燥蠕动泵转速为500~1800rpm/min，喷雾干燥风机转速为40~150HZ；
喷雾干燥可以将溶液瞬间挥发并帮助形成纳米孔隙结构；此种条件下，使得材料在步骤（3）的较低焙烧温度下，也能形成稳定结构，提高含氮量。
（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中，于400~500℃下，焙烧8小时以上（优选10-12小时），再急冷至室温，即得氮化钒铁合金。
进一步，步骤（1）中，超声频率为25~30KHz。
进一步，步骤（1）中，搅拌速率为1000~2000rpm/min。
进一步，步骤（1）中，所述钒源化合物是五氧化二钒、偏钒酸铵、二氧化钒、三氧化二钒中的至少一种。
进一步，步骤（1）中，所述铁源化合物是三氧化二铁、四氧化三铁中的至少一种。
进一步，步骤（1）中，所述还原剂是草酸、甲酸中的至少一种。
进一步，步骤（3）中，氮气的流量可为200-300m3/h。
本发明所使用的气氛均为高纯气体，纯度≥99.99%。
步骤（3）中，采用急冷，可以增大合金中的含氮量。
本发明方法的技术原理是：本发明利用酸性还原剂与含钒化合物生成可溶性化合物，在加入铁源后，利用喷雾干燥技术将溶液蒸干，因溶液中各元素分布均匀，孔隙适中，在随后的低温焙烧过程中，氮气中的氮元素进入到固体粉末的孔隙中，可以提高最终产品的含氮比例，本发明固氮所需要的温度低，能够有效稳定氮化钒铁合金的结构，提高其性能。
本发明中，所得氮化钒铁合金中，钒元素的重量百分比为68.0-72.0％，氮元素的重量百分比为17.0-18.0％；余量为铁及不可避免的杂质。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明通过溶液反应及喷雾干燥，可以提高氮化钒铁中的氮含量，还可以有效提高产品的纯度，降低氧和碳等杂质元素的含量，得到质量优异的氮化钒铁合金产品；
(2)本发明制备得到的氮化钒铁比重更大，更有利于控制钒的稳定性和精准性；
(3)本发明工艺过程简单，所用设备常见，氮化钒铁制备过程能耗低，在微合金钢生产过程中更加适用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例之氮化钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钒源化合物五氧化二钒、铁源化合物三氧化二铁、还原剂草酸加入去离子水中，进行超声搅拌反应1h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1∶0.6；
所述混合溶液中钒离子的浓度为0.2mol/L；浓度过低会降低产量，浓度过高则不利于最终合金的生成。
超声频率为25KHz；搅拌速率为1000rpm/min；
（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；
所述喷雾干燥进风口温度为220℃，喷雾干燥蠕动泵转速为500rpm/min，喷雾干燥风机转速为40HZ；
喷雾干燥可以将溶液瞬间挥发并帮助形成纳米孔隙结构；此种条件下，使得材料在步骤（3）的较低焙烧温度下，也能形成稳定结构，提高含氮量。
（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中（氮气的流量为200m3/h），于400℃下，焙烧12小时，再急冷至室温，即得氮化钒铁合金。
经过检测，按质量百分含量计，本实施例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的17.2wt％，钒元素占氮化钒铁质量的68.8wt％。
实施例2
本实施例之氮化钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钒源化合物偏钒酸铵、铁源化合物四氧化三铁、还原剂甲酸加入去离子水中，进行超声搅拌反应2h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1.05∶0.85；
所述混合溶液中钒离子的浓度为0.3mol/L；浓度过低会降低产量，浓度过高则不利于最终合金的生成；
超声频率为30KHz；搅拌速率为2000rpm/min。
（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；
所述喷雾干燥进风口温度为280℃，喷雾干燥蠕动泵转速为1800rpm/min，喷雾干燥风机转速为150HZ；
喷雾干燥可以将溶液瞬间挥发并帮助形成纳米孔隙结构；此种条件下，使得材料在步骤（3）的较低焙烧温度下，也能形成稳定结构，提高含氮量。
（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中（氮气的流量为300m3/h），于500℃下，焙烧8小时，再急冷至室温，即得氮化钒铁合金。
经过检测，按质量百分含量计，本实施例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的17.5wt％，钒元素占氮化钒铁质量的69.8wt％。
实施例3
本实施例之氮化钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钒源化合物五氧化二钒、铁源化合物三氧化二铁、还原剂草酸加入去离子水中，进行超声搅拌反应1h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1.1∶0.85；
所述混合溶液中钒离子的浓度为0.5mol/L；浓度过低会降低产量，浓度过高则不利于最终合金的生成；
超声频率为30KHz；搅拌速率为1500rpm/min。
（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；
所述喷雾干燥进风口温度为250℃，喷雾干燥蠕动泵转速为1500rpm/min，喷雾干燥风机转速为100HZ；
喷雾干燥可以将溶液瞬间挥发并帮助形成纳米孔隙结构；此种条件下，使得材料在步骤（3）的较低焙烧温度下，也能形成稳定结构，提高含氮量。
（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中（氮气的流量为300m3/h），于450℃下，焙烧10小时，再急冷至室温，即得氮化钒铁合金。
经过检测，按质量百分含量计，本实施例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的18.0wt％，钒元素占氮化钒铁质量的72.0wt％。
对比例1
与实施例1相比，除了步骤(1) 混合溶液中钒离子的浓度为0.05 mol/L，其他条件与实施例1完全相同。
经过检测，按质量百分含量计，本对比例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的13.9wt％，钒元素占氮化钒铁质量的67.5wt％。
对比例2
与实施例1相比，除了步骤(1) 混合溶液中钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1.3∶1.0；其他条件与实施例1完全相同。
经过检测，按质量百分含量计，本对比例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的13.6wt％，钒元素占氮化钒铁质量的67.2wt％。
对比例3
与实施例1相比，除了步骤(2) 喷雾干燥进风口温度为200℃，喷雾干燥蠕动泵转速为400rpm/min，喷雾干燥风机转速为30HZ；其他条件与实施例1完全相同。
经过检测，按质量百分含量计，本对比例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的13.0wt％，钒元素占氮化钒铁质量的67.3wt％。
对比例4
与实施例1相比，除了不进行步骤(2) 喷雾干燥，而采用普通烘干，其他条件与实施例1完全相同。
经过检测，按质量百分含量计，本对比例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的12.0wt％，钒元素占氮化钒铁质量的66.3wt％。
对比例5
与实施例1相比，除了步骤（3）于300℃下，焙烧8小时，其他条件与实施例1完全相同。
经过检测，按质量百分含量计，本对比例得到的氮化钒铁产品中氮元素占氮化钒铁质量的16.0wt％，钒元素占氮化钒铁质量的66.8wt％。

Claims (5)

1.一种氮化钒铁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钒源化合物、铁源化合物、还原剂加入去离子水中，进行超声搅拌反应1～3h，得混合溶液；其中，钒元素、铁元素、还原剂的摩尔比为4∶1-1.1∶0.6-0.85；
所述混合溶液中钒离子的浓度为0.2～0.5mol/L；
（2）将步骤（1）所得混合溶液喷雾干燥，得到固体粉末；
所述喷雾干燥进风口温度为220~280℃，喷雾干燥蠕动泵转速为500~1800rpm，喷雾干燥风机转速为40~150Hz ；
（3）将步骤（2）所得固体粉末在氮气气氛中，于400~500℃下，焙烧8小时以上，再急冷至室温，即得氮化钒铁合金；
步骤（1）中，超声频率为25~30KHz；
步骤（1）中，搅拌速率为1000~2000rpm；
步骤（1）中，所述钒源化合物是五氧化二钒、偏钒酸铵、二氧化钒、三氧化二钒中的至少一种。
2.根据权利要求1所述氮化钒铁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述铁源化合物是三氧化二铁、四氧化三铁中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述氮化钒铁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述还原剂是草酸、甲酸中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述氮化钒铁合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，氮气的流量为200-300m3/h。
5.根据权利要求1或2所述氮化钒铁合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，焙烧时间为10-12小时。
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