CN110408832B - 一种富氮锰钒基材料及其制备方法 - Google Patents

一种富氮锰钒基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料技术领域，尤其是一种富氮锰钒基材料及其制备方法，所述富氮锰钒基材料，化学成分以质量百分数计为：Mn含量40‑60％，C含量10‑20％，V含量4‑8％，N含量15‑25％，其余为Fe，其制备方法，包括如下步骤：a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉；b、将步骤a中得到的细粉压制成球状；c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化。该富氮锰钒基材料制备方法氮化效率高，锰钒基基础材料N的收得率高，N能够提高材料的抗拉强度和屈服强度，显著增加了锰钒基基础材料的强度，N是一种廉价的合金化元素，制备成本低，具有较好的技术经济指标以及综合经济效益。

Description

一种富氮锰钒基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其是一种富氮锰钒基材料及其制备方法。
背景技术
钢筋钢、钒微合金钢、齿轮钢冶炼生产过程中，通过向钢水中喷吹氮气，来提高生产出成品钢中氮的含量，从而增加成品钢的强度。成品钢中每含有0.01％(质量百分数)的氮相当于0.01％(质量百分数)的钒对抗拉强度和屈服强度的影响，由于氮的成本价格远远低于钒的价格，所以在钢水增氮能够获得非常显著的技术指标以及综合经济效益。目前研究表明，通过在辅助添加原料中加入氮元素，然后在生产时加入钢水中，得到成品钢的增氮效果是要好于通过向钢水中喷吹氮气得到成品钢的增氮效果。
锰钒基材料作为一种合金，其由Mn、C、V、Fe等构成，钢筋钢、钒微合金钢、齿轮钢钢水冶炼生产过程中，在钢水LF精炼炉精炼时，锰钒基材料作为辅助添加原料添加在钢水中，锰钒基材料主要起细化成品钢内部的晶粒、增强其强度的作用。在上述钢水冶炼过程中，对锰钒基材料的强度要求较高，现在有些锰钒基材料不能满足其强度要求而不能被使用，从而影响锰钒基材料的使用。
综上所述，在钢筋钢、钒微合金钢、齿轮钢冶炼生产过程中，亟需一种具有高强度的富氮锰钒基材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高的富氮锰钒基材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种富氮锰钒基材料，化学成分以质量百分数计为：Mn含量40-60％，C含量10-20％，V含量4-8％，N含量15-25％，其余为Fe。
另外，本发明还要解决的技术问题是提供一种强度高的富氮锰钒基材料制备方法。
用于上述富氮锰钒基材料的制备方法，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至950-960℃，然后保温300-310min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下。
进一步的是，在步骤a中，锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量55-65％，C含量15-25％，V含量5-10％，其余为Fe。
进一步的是，在步骤a中，细粉的粒级≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％。
进一步的是，在步骤b中，细粉压制成球状锰钒基础材料过程中加入粘接剂和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％。
进一步的是，粘接剂为膨润土。
进一步的是，在步骤b中，压制成球状锰钒基础材料的截面直径在10-15mm之间。
进一步的是，加热氮化炉包括炉体、底座、装料坩埚、壳体、加热电阻，底座、装料坩埚、壳体、加热电阻均设置在炉体中，壳体可拆卸设置在底座上，壳体与底座所形成的空间为反应室，装料坩埚位于反应室中，加热电阻位于壳体的周围，炉体的底部设置有氮气进管，氮气进管的出口端位于反应室中，炉体的顶部设置有氮气出管。
进一步的是，加热氮化炉还包括热电偶，热电偶设置在炉体中。
本发明的有益效果是：本发明富氮锰钒基材料中包含15-25％的N，N能够提高材料的抗拉强度和屈服强度，显著增加了锰钒基基础材料的强度，而且N可以促进材料中V的析出，增强V的沉淀强化作用，进一步增强锰钒基基础材料的强度，N是一种廉价的合金化元素，制备成本低，具有较好的技术经济指标以及综合经济效益。同时，本发明提供的富氮锰钒基材料制备方法，首先将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉，然后再将细粉压制成球状，最后将球状锰钒基础材料就送入加热氮化炉中进行氮化，氮化时先将球状锰钒基础材料加热至950-960℃，然后保温300-310min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下，从而得到本发明富氮锰钒基材料；该富氮锰钒基材料制备方法氮化效率高，锰钒基基础材料N的收得率高，得到的富氮锰钒基材料性能稳定，利于推广。
附图说明
图1是加热氮化炉的结构示意图；
图中标记：炉体1、装料坩埚2、壳体3、加热电阻4、氮气进管5、氮气出管6、热电偶7、底座8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明一种富氮锰钒基材料，化学成分以质量百分数计为：Mn含量40-60％，C含量10-20％，V含量4-8％，N含量15-25％，其余为Fe，熔点：1200-1250℃。
N能够提高材料的抗拉强度和屈服强度，显著增加了锰钒基基础材料的强度，而且N可以促进材料中V的析出，增强V的沉淀强化作用，进一步增强锰钒基基础材料的强度，通过对本发明富氮锰钒基材料进行研究分析，相对于锰钒基基础材料，氮化后的富氮锰钒基材料中每1％能够增加其130MPa左右的抗拉强度和屈服强度，强度增强效果很好。
上述富氮锰钒基材料的制备方法，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至950-960℃，然后保温时间为300-310min，也即是使球状锰钒基础材料在950-960℃温度下持续300-310min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下。
在步骤a中，锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量55-65％，C含量15-25％，V含量5-10％，其余为Fe。将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉，细粉的粒级优选≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％。
球状锰钒基础材料能够便于将其送入加热氮化炉中进行氮化，有助于氮气在加热氮化炉中流动，有利于锰钒基础材料的氮化，便于N进入锰钒基础材料中，球状锰钒基础材料的截面直径优选在10-15mm之间。通过大量试验和实践中得出，先将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉，然后再将细粉压制成球状，这样可以提高锰钒基础材料氮化效果和氮化效率。为了便于细粉压制成球状锰钒基础材料，在步骤b中，细粉压制成球状锰钒基础材料过程中加入粘接剂和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％，粘接剂可以采用膨润土，压制时，加入粘接剂的量为总重量的2-5％，加入的水分的量为总重量的2-4％.压制压力不大于30KN。
球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，本发明加热氮化炉优选的一种结构为：如图1所示，加热氮化炉包括炉体1、底座8、装料坩埚2、壳体3、加热电阻4，底座8、装料坩埚2、壳体3、加热电阻4均设置在炉体1中，壳体3可拆卸设置在底座8上，壳体3与底座8所形成的空间为反应室，装料坩埚2位于反应室中，加热电阻4位于壳体3的周围，炉体1的底部设置有氮气进管5，氮气进管5的出口端位于反应室中，炉体1的顶部设置有氮气出管6。该加热氮化炉对球状锰钒基础材料氮化时，首先球状锰钒基础材料被送入反应室中，带有正压压力的氮气从氮气进管5进入反应室中，使反应室中充满氮气，然后加热电阻4工作，对球状锰钒基础材料加热至950-960℃，加热速率≤10℃/min，再保温300-310min后降温至室温，从而完成氮化过程，剩余的氮气从氮气出管6出去。通过检测，该加热氮化炉氮化效率高，氮的收得率能稳定控制在60-80％之间。为了便于准确控制温度，热氮化炉还设置有热电偶7，热电偶7设置在炉体1中，热电偶7用于测量锰钒基础材料的温度，保证锰钒基础材料的氮化效果。
综上所示，本发明的富氮锰钒基材料制备方法氮化效率高，锰钒基基础材料N的收得率高，得到的富氮锰钒基材料性能稳定，利于推广。
实施例1
富氮锰钒基材料的制备方法，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成粒级≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％的细粉，该锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量60％，C含量20％，V含量8％，其余为Fe；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状，压制时，加入膨润土和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％，球状锰钒基础材料的截面直径为12mm；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至950℃，然后保温300min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下，进入的氮气压力0.15MPa，流量为3ml/s。
对得到的富氮锰钒基材料进行检测，化学成分以质量百分数计为：Mn含量51％，C含量17％，V含量6.8％，N含量15％，其余为Fe。
实施例2
富氮锰钒基材料的制备方法，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成粒级≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％的细粉，该锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量63％，C含量18％，V含量7％，其余为Fe；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状，压制时，加入膨润土和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％，球状锰钒基础材料的截面直径为15mm；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至960℃，然后保温310min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下，进入的氮气压力0.18MPa，流量为4ml/s。
对得到的富氮锰钒基材料进行检测，化学成分以质量百分数计为：Mn含量54.18％，C含量15.48％，V含量6.02％，N含量20％，其余为Fe。
实施例3
富氮锰钒基材料的制备方法，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成粒级≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％的细粉，该锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量58％，C含量19％，V含量9％，其余为Fe；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状，压制时，加入膨润土和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％，球状锰钒基础材料的截面直径为13mm；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至954℃，然后保温305min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下，进入的氮气压力0.2MPa，流量为4ml/s。
对得到的富氮锰钒基材料进行检测，化学成分以质量百分数计为：Mn含量50.46％，C含量16.53％，V含量7.83％，N含量17％，其余为Fe。

Claims (7)

1.一种富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：所述富氮锰钒基材料化学成分以质量百分数计为：Mn含量40-60％，C含量10-20％，V含量4-8％，N含量15-25％，其余为Fe，包括如下步骤：
a、将锰钒基础材料破碎后，再研磨成一定粒度的细粉，锰钒基础材料的化学成分以质量百分数计为：Mn含量55-65％，C含量15-25％，V含量5-10％，其余为Fe；
b、将步骤a中得到的细粉压制成球状；
c、将球状锰钒基础材料送入加热氮化炉中；
d、球状锰钒基础材料在加热氮化炉中进行氮化，首先将球状锰钒基础材料加热至950-960℃，然后保温300-310min，最后降温至室温，氮化过程全程处于氮气气氛下。
2.如权利要求1所述的富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：在步骤a中，细粉的粒级≤200目，且小于250目粒级不少于总数的80％。
3.如权利要求1所述的富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：在步骤b中，细粉压制成球状锰钒基础材料过程中加入粘接剂和水分，成球后再经过晾晒，使球状锰钒基础材料中的水分≤0.5％。
4.如权利要求3所述的富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：粘接剂为膨润土。
5.如权利要求1所述的富氮锰钒基材料的制备方法其特征在于：在步骤b中，压制成球状锰钒基础材料的截面直径在10-15mm之间。
6.如权利要求1至5任意一项所述的富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：加热氮化炉包括炉体(1)、底座(8)、装料坩埚(2)、壳体(3)、加热电阻(4)，底座(8)、装料坩埚(2)、壳体(3)、加热电阻(4)均设置在炉体(1)中，壳体(3)可拆卸设置在底座(8)上，壳体(3)与底座(8)所形成的空间为反应室，装料坩埚(2)位于反应室中，加热电阻(4)位于壳体(3)的周围，炉体(1)的底部设置有氮气进管(5)，氮气进管(5)的出口端位于反应室中，炉体(1)的顶部设置有氮气出管(6)。
7.如权利要求6所述的富氮锰钒基材料的制备方法，其特征在于：加热氮化炉还包括热电偶(7)，热电偶(7)设置在炉体(1)中。
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