CN111235468B - 一种高氮低氧氮化硅钒铁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氮低氧氮化硅钒铁合金及其制备方法，属于铁合金技术领域。其成分按重量百分比组成：钒30％‑34％,硅10％‑15％,氮14％‑16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。本发明的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，在0.18‑0.2MPa的微正压生产，分两步在不同的温度下分别对钒和硅进行氮化，充分的保证了钒和硅的氮化效果，提高了合金中的含氮量；同时本发明的制备方法的原材料选用的是外购的硅钒铁为原料，费用低，原料产品中各组分含量可控，工艺路线简单，同时，采用高真空烧结炉进行氮化反应，可以大批量进行生产，可以在工业上大规模应用。

Description

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁合金技术领域，更具体的说是涉及一种高氮低氧氮化硅钒铁合金及其制备方法。

背景技术

近年来建筑用钢筋及螺纹钢最重要的技术进步是在冶炼过程中利用微合金化技术生产高强度钢材。常用的微合金化元素有铌、钒等。它们通常以钒铁合金或铌铁合金形式加入，也有以钒氮合金形式加入的。但是铌铁价格昂贵微合金化成本高，钒铁合金微合金化效果不如钒氮合金，而利用钒氮合金微合金化时由于部分钒以氧化钒的形态存在进入渣中造成钒的回收率低，成本也高，大量微合金化技术应用表明：只有钒在钢材中以有效的化合态(氮化钒)存在时，才可以最大限度地改善钢材的机械性能，其根本原因是氮化钒在钢材的形成过程中经历了溶解、析出的过程，从而实现了对钢材晶粒的细化、强化作用。因此，改善钢材中钒的存在形态，提高钢材中氮化钒的数量对改善钢材的性能具有重要的作用，故增加钢材中的氮含量具有重要的作用。

钢材中增加氮含量比较理想的方式是向钢液中添加氮化物，如果能够添加富含氮的微合金氮化物则最好。从富氮的角度来看，氮化硅是不错的选择，其氮含量的理论值达到了40％；从微合金化元素的角度来看，氮化钒、氮化硅铁等都是不错的选择，但它们最大问题是富氮程度不足，而钒氮合金则相对较差，除了富氮程度不足之外，还存在表观密度低、氧含量较高、氮含量不稳定等问题。

鉴于此，如果能够把氮化钒铁与氮化硅的优点结合起来，实现富氮程度高、表观密度大的有机结合，则是最佳的选择。因此，冶金学家开发出了氮化硅钒铁。但现有的氮化硅钒铁由于生产工艺或者原料选择等，都存在一些不足；钒铁的生产方法很多，但总体来看无非是硅热法与铝热法两种，铝热法的优点是产品含钒量高，缺点是将其中的硅含量当成杂质来控制，生产成本高；硅热法的缺点是产品钒含量较低，不能用于生产钒含量很高的钒铁，但它的最大优点是生产成本低；

现有的硅热法生产钒铁，由于其中的目标是为了生产含硅较低的钒铁，故需要用金属铝来部分替代硅作为还原剂，既增加了生产成本，也使过程控制复杂。如果生产的硅钒铁具有一定的硅含量，则生产过程可以配加过量的硅来实现，既可以最大限度的提高钒的回收率，也可以降低生产成本。

中国发明专利ZL201110000948.3公开了一种氮化硅钒铁的生产方法，它利用氧化钒或者钒铁为原料，与硅铁进行煅烧反应制得氮化硅钒铁产品。利用氧化钒与硅铁煅烧反应在固态下进行，存在反应不彻底、富氮不足、残氧含量高、表观密度低、生产原料种类多等问题；利用钒铁与硅铁煅烧反应在固态下进行，依然存在前述的问题，但由于用钒铁为原料，与前者相比，产品质量可能稍好，但其生产成本更高。

中国发明专利CN103526098A公开了一种氮化硅钒铁合金及其生产方法；其是用氮化硅钒铁合金在常温高压条件点火的自蔓延法生产，氮含量不稳定，不均匀，钢厂使用时氮的回收率低，合金熔速慢，并且产量低，只用于科研，无法规模化生产，并且设备属于超高压反应釜，有安全风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高氮低氧氮化硅钒铁合金及其制备方法，本发明的一种高氮低氧氮化硅钒铁合金，就可以有效的解决以上缺点或不足,不但合金氮含量高，氧化物、碳、硫、磷、有害元素低，而且合金中的硅在钢水中可以还原钒的氧化物，有脱氧作用；加大熔速，提高钒的回收率，降低高强度螺纹钢的生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金，其成分按重量百分比组成：

钒30％-34％,硅10％-15％,氮14％-16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。

本发明还提供了一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁磨成细粉,然后加入粘结剂,搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空条件下送电升温,当温度达到845-855℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.18-0.2MPa的条件下进行钒的氮化；

步骤4：继续升温至1095-1105℃进行硅的氮化，当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.18-0.2MPa时，停电冷却，降温后出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒30％-34％,硅10％-15％,氮14％-16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。

优选的，在步骤1中，硅钒铁磨成的细粉的目数为100--400目。

优选的，在步骤1中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒35％-40％,硅12％-18％,碳≤0.5％，硫≤0.05％,磷≤0.05％，余量为Fe。

优选的，在步骤1中，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7-8％；粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成。

优选的，在步骤2中，电热干燥窑的干燥温度为300-400℃。

优选的，在步骤3中，高真空烧结炉的真空度为0.01-1Pa。

优选的，在步骤3中，钒的氮化持续时间为5-6小时。

优选的，在步骤4中，硅的氮化持续时间为5-6小时。

优选的，在步骤4中，高真空烧结炉内的温度降到50℃以下时氮化硅钒铁合金出炉。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明的高氮低氧氮化硅钒铁合金，不但氮含量高，氧化物、碳、硫、磷、有害元素低，而且合金中的硅在钢水中可以还原钒的氧化物，有脱氧作用；加大熔速，提高钒的回收率，降低高强度螺纹钢的生产成本。产品致密，比重大，炼钢使用时有利于提高钒的收得率。

本发明的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，在0.18-0.2MPa的微正压生产，分两步在不同的温度下分别对钒和硅进行氮化，充分的保证了钒和硅的氮化效果，提高了合金中的含氮量；同时本发明的制备方法的原材料选用的是外购的硅钒铁为原料，费用低，原料产品中各组分含量可控，工艺路线简单，同时，采用高真空烧结炉进行氮化反应，可以大批量进行生产，可以在工业上大规模应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金，其成分按重量百分比组成：

钒30％-34％,硅10％-15％,氮14％-16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。

本发明还提供了一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁磨成100-400目细粉,在步骤1中，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7-8％，(粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成)搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；其中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒35％-40％,硅12％-18％,碳≤0.5％，硫≤0.05％,磷≤0.05％，余量为Fe。

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,在300-400℃的条件下烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空度为0.01-1Pa条件下送电升温,当温度达到845-855℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.18-0.2MPa的条件下进行钒的氮化；钒的氮化持续时间为5-6小时。

步骤4：继续升温至1095-1105℃进行硅的氮化，硅的氮化持续时间为5-6小时。当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.18-0.2MPa时，停电冷却，降温到50℃以下时出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒30％-34％,硅10％-15％,氮14％-16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。

本发明的高氮低氧氮化硅钒铁合金，不但氮含量高，碳、硫、磷、有害元素低，而且合金中的硅在钢水中可以还原钒的氧化物，有脱氧作用；加大熔速，提高钒的回收率，降低高强度螺纹钢的生产成本。产品致密，比重大，炼钢使用时有利于提高钒的收得率。

本发明的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，在0.18-0.2MPa的微正压生产，分两步在不同的温度下分别对钒和硅进行氮化，充分的保证了钒和硅的氮化效果，提高了合金中的含氮量；同时本发明的制备方法的原材料选用的是外购的硅钒铁为原料，费用低，原料产品中各组分含量可控，工艺路线简单，同时，采用高真空烧结炉进行氮化反应，可以大批量进行生产，可以在工业上大规模应用。

本发明的关键点是找准了钒，氮最佳反应温度，分两个温度区间进行氮化，以免出现氮化不均的现象，保证成品率100％。

实施例1:

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁磨成100目细粉,然后加入粘结剂，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7％，(粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成)。搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；其中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒35％,硅12％,碳0.5％，硫0.05％,磷0.05％，余量为Fe。

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,在300℃的条件下烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空度为0.01Pa条件下送电升温,当温度达到845℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.18MPa的条件下进行钒的氮化；钒的氮化持续时间为5小时。

步骤4：继续升温至1100℃进行硅的氮化，硅的氮化持续时间为5小时。当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.18MPa时，停电冷却，降温到50℃时出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒30％,硅10％,氮14％，氧0.8％，C0.3％，硫0.03％,磷0.05％，余量为Fe。

实施例2：

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁用雷蒙磨磨成200目细粉,然后加入粘结剂，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7.5％，(粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成)。搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；其中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒38％,硅16％,碳0.3％，硫0.03％,磷0.04％，余量为Fe。

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,在380℃的条件下烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空度为0.8Pa条件下送电升温,当温度达到850℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.2MPa的条件下进行钒的氮化；钒的氮化持续时间为5.5小时。

步骤4：继续升温至1105℃进行硅的氮化，硅的氮化持续时间为5.5小时。当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.2MPa时，停电冷却，降温到45℃时出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒32％,硅13％,氮15％，氧0.6％，C0.2％，硫0.02％,磷0.04％，余量为Fe。

实施例3：

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁用雷蒙磨磨成400目细粉,然后加入粘结剂，所述粘结剂加入的量为混合料质量的8％，(粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成)。搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；其中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒40％,硅18％,碳0.3％，硫0.03％,磷0.05％，余量为Fe。

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,在400℃的条件下烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空度为1Pa条件下送电升温,当温度达到855℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.2MPa的条件下进行钒的氮化；钒的氮化持续时间为6小时。

步骤4：继续升温至1095℃进行硅的氮化，硅的氮化持续时间为6小时。当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.2MPa时，停电冷却，降温到40℃时出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒34％,硅15％,氮16％，氧0.3％，C0.1％，硫0.01％,磷0.02％，余量为Fe。

实施例4：

一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁磨成300目细粉,然后加入粘结剂，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7.8％，(粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成)。搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；其中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒40％,硅16％,碳0.5％，硫0.03％,磷0.03％，余量为Fe。

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,在400℃的条件下烘干；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空度为1Pa条件下送电升温,当温度达到850℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.2MPa的条件下进行钒的氮化；钒的氮化持续时间为5小时。

步骤4：继续升温至1102℃进行硅的氮化，硅的氮化持续时间为6小时。在关闭输送氮气阀门的同时，观察炉内压力10分钟内不下降时，可以判定合金中氮吸收饱和，说明合金已经充分氮化，保持氮气压力稳定在0.2MPa的条件下，停电冷却，降温到35℃时出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒32％,硅11％,氮16％，氧0.3％，C0.1％，硫0.01％,磷0.03％，余量为Fe。

实施例1-实施例4中，通入的氮气纯度为99.999％；合金中的氮、氧用ON3000氧氮分析仪红外吸收法测定，钒用化学分析方法“过硫酸铵氧化容量法”测定，碳、硫用红外碳硫分析仪检测，硅用“硅钼蓝光度法”(光度分析仪)测定；都是现有技术，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：把硅钒铁磨成细粉,然后加入粘结剂,搅拌混匀,用压力机把混合料压制成块状；

步骤2：把压制好的块状硅钒铁装入电热干燥窑,烘干至水分小于0.1％；

步骤3：把烘干后的块状硅钒铁装入高真空烧结炉,在真空条件下送电升温,当温度达到845-855℃时,通入氮气并使得在氮气压力维持在0.18-0.2MPa的条件下进行钒的氮化；

步骤4：继续升温至1095-1105℃进行硅的氮化，当停止通入氮气且高真空烧结炉内的氮气压力稳定在0.18-0.2MPa时，停电冷却，降温后出炉，即可生产出以下成分的高氮低氧氮化硅钒铁合金：钒30％-34％,硅10％-15％,氮14％-16％，氧≤0.8％，C≤0.3％，硫≤0.03％,磷≤0.05％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤1中，硅钒铁磨成的细粉的目数为100--400目。

3.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述硅钒铁的成分按重量百分比组成：钒35％-40％,硅12％-18％,碳≤0.5％，硫≤0.05％,磷≤0.05％，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述粘结剂加入的量为混合料质量的7-8％；粘结剂为工业淀粉和水按照重量比1:4的比例混合配置而成。

5.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤2中，电热干燥窑的干燥温度为300-400℃。

6.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤3中，高真空烧结炉的真空度为0.01-1Pa。

7.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤3中，钒的氮化持续时间为5-6小时。

8.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤4中，硅的氮化持续时间为5-6小时。

9.根据权利要求1所述的所述的高氮低氧氮化硅钒铁合金的制备方法，其特征在于，在步骤4中，高真空烧结炉内的温度降到50℃以下时氮化硅钒铁合金出炉。