CN1327006C - 用附加阴极辉光放电冶炼高氮钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种金属冶炼技术领域的用附加阴极辉光放电冶炼高氮钢的方法，在真空冶炼设备内熔池液面的上方设置阳极，在阳极与熔池液面之间设置一个带孔的附加阴极，用真空熔炼方法进行炉料的加热、熔化、精炼及调整合金元素的含量，然后通入含有氮的气体，对阳极和阴极施加电压，使气体中氮原子电离成氮离子，调节电源电压使极间电压达到能维持在异常辉光放电区稳定工作的电压，并使阴极周围形成稳定的覆盖整个阴极表面的阴极辉光区。空间中的氮离子、活性氮原子以及从附加阴极中溅射出来的氮化物微粒沉积在熔池的液面上，并通过液相中的扩散和对流使熔池内金属合金的含氮量提高，从而实现高氮钢的冶炼。

Description

用附加阴极辉光放电冶炼高氮钢的方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属冶炼技术领域的方法，具体是一种用附加阴极辉光放电冶炼高氮钢的方法。

背景技术

铁素体为基的钢中含0.08％以上的氮和奥氏体为基的钢中含0.4％以上氮的钢称为高氮钢。当前高氮钢冶炼技术主要采用对熔融的钢添加固体含氮材料合金化或采用高压气体氮的合金化两种方式。前者对氮的吸收不稳定，而且会对钢引入污染弊病；后者应采用高压装置进行冶炼和浇注或采用反压铸造方法防止氮在凝固时的析出。由于技术难度极大，迄今世界上尚未冶炼出含氮量超过1％的Fe-N二元高氮合金。

经对现有技术的文献检索发现，包头钢铁学院学报1999年9月第18卷增刊P387-392，周灿栋等“高氮钢的熔炼及试生产技术”的文章，文章介绍了一种在高压下的等离子熔炼高氮钢的方法。等离子熔炼是利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种冶炼方法。当气体处在强电场中时，气体会发生电离形成由自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子组成的等离子体。当通入的气体为氮气时，等离子体中有N⁺和N中性原子。当熔融的金属为附加阴极时，熔体会吸附N⁺，再加上N中性原子的化学吸附，熔体中的总氮含量就会超过通常意义上的热力学平衡氮浓度。用等离子弧渗氮时，整个熔体有2个明显的区域：吸氮区和外围的脱氮的非弧区。在等离子弧作用的吸氮区，氮快速渗入熔体。而在脱氮的非弧区，氮会由熔体表面溢出。熔体中氮的总含量为达到吸氮与脱氮平衡时的值。该方法存在以下问题：①存在脱氮的非弧区，影响熔体中的总氮含量值的提高；②由于反应是在较高的气体压力下进行，则在冶炼过程中由于气体的导热作用会有大量的热量被损失；③因为以熔体为阴极，阴极与电源的连接需要用难熔的导体材料，制造安装难度大。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出一种用附加阴极辉光放电冶炼高氮钢的方法，使其熔炼出高氮钢和高氮合金，解决了背景技术中存在的上述三个问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是在真空熔炼设备炉内熔池液面的上方设置阳极，在阳极与熔池液面之间设置一个带孔的附加阴极，用真空冶炼方法进行炉料的加热、熔化、精炼及调整合金元素的含量，然后通入含有氮的气体，将真空度保持在40Pa-1×10⁴Pa范围内。阳极和附加阴极的电源电压的调节范围为3×10²V-1×10⁴V，对阳极和附加阴极施加电压，使气体中氮原子电离成氮离子、调节电源电压使极间电压达到能维持在异常辉光放电区稳定工作的电压，并使得附加阴极周围形成稳定的覆盖整个附加阴极表面的附加阴极辉光区。空间中的氮离子、活性氮原子以及从附加阴极中溅射出来的氮化物微粒沉淀在熔池的液面上，并通过液相中的扩散和对流使熔池内金属合金的含氮量提高，从而实现高氮钢的冶炼。

含氮量与冶炼时间的关系与液态金属合金的总体积以及体积与表面面积之比有关，对具体的冶炼设备可以通过试验加以确定，作为控制冶炼时间的依据。当整个液体的氮含量达到预定值后，冶炼过程结束。

带孔的附加阴极板可以是一个与液面平行的板，或是处于液面上方呈筒形或锥筒形。孔的作用是有利于气流的交换，从而有利于N⁺，活性氮原子和从附加阴极溅射出来的氮化物微粒向液面沉积。

冶炼加热热源可以为感应方式加热、电弧方式加热、电阻加热或高能束方式加热。

真空冶炼设备可以是真空感应冶炼炉、真空电弧冶炼炉、真空高能束冶炼炉、真空脱气与炉外精炼装置。熔炼物料可以是纯铁、纯金属、合金、废钢、Ni或镍基合金。

金属合金液体可以通过附加电磁搅拌、机械搅拌或热对流的方式增加其运动能力，使熔体内部的氮含量趋于均匀。

本发明具有以下特点和效果：1)实现快速在液体表面渗入氮原子的目的。2)由于通入的气体可以是纯氮或氮气与其它惰性气体，在离子轰击的情况下使氮发生离化，从而可以实现仅依靠通入氮气或通入氮气与惰性气体的方式向溶化的液体表面输送氮原子，避免了由于通入含氢气的气体而有引发材料的脆性的可能。3)由于金属及合金的冶炼和随后的在辉光放电的条件下的渗氮是在真空条件下进行的，可以避免冶炼过程中的大量热量的损失。4)本发明使整个熔池的液面都成为吸氮区，避免了脱氮区的出现，具有更高的氮的渗入速度并能达到更高的含氮量。5)辅助附加阴极不必与液态金属合金接触，可以用纯铁板或钢板制作，易于制造和安装，成本低。

综上所述，本发明的内容可概括为：在真空冶炼设备内部空间中熔体液面的上方设置一个带孔的附加阳极，在阳极与熔池液面之间设置一个带孔的附加阴极，用真空冶炼方法进行炉料的加热、熔化、精炼及调整合金元素的含量，然后通入含有氮的气体，将真空度调节在40Pa-1×10⁴Pa范围内。阳极和附加阴极的电源电压的调节范围为3×10²V-1×10⁴V，对阳极和附加阴极施加电压，使气体中氨原子电离成氮离子，调节电源电压使极间电压达到能维持在异常辉光放电区稳定工作的电压，并使附加阴极周围形成稳定的覆盖整个附加阴极表面的附加阴极辉光区。空间中的氮离子、活性氮原子以及从附加阴极中溅射出来的氮化物微粒沉积在熔池的液面上，并通过液相中的扩散和对流使熔池内金属合金的含氮量提高，从而实现高氮钢的冶炼。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

实施例1

将冶炼坩埚置于密封容器内，坩埚内放入纯铁作为冶炼原料。加热热源为感应加热方式，其原理与真空感应熔炼炉相同。在坩埚的液面上方设置阳极，在阳极与坩埚之间设置带孔的纯铁板与电源的附加阴极联接，坩埚是处于与附加阴极和阳极均不联接的悬浮电位。用常规的真空感应冶炼的方法将炉料溶化和精炼之后，向真空感应冶炼炉通入纯氮气体，并调节真空度到10000Pa。接通阳极与附加阴极的电源，电源的电压调节范围为3×10²V-1×10⁴V，逐步由低到高调节电源电压，在调节电压的同时从观察孔观察附加阴极表面，当出现辉光放电时，表明已达到点燃电压，随后继续提高电源电压，当观察到整个附加阴极表面全部被负辉区覆盖后，表明已达到在异常辉光区稳定工作的状态。在这种状态下，正电价的氮离子(N⁺)或游离的氮原子以及从附加阴极中溅射出的铁氮化合物微小颗粒向熔池液面沉积，使液体的氮含量随着时间的延长会逐步提高，同时在感应加热的磁场作用下搅拌流动，使液面的液体不断被含低氮的液体更新，如此不断重复液面的渗氮过程，直到当整个坩埚内液体的氮含量达到预定值，然后进行浇注和凝固。获得达到＞2％N的高氮钢，这种合金钢可经640-650℃加热奥氏体化，225等温时效后，硬度达到＞900HV。

实施例2

在真空电弧熔炼炉内部空间中熔体液面的上方设置阳极，在阳极与液面之间设置带孔的石墨板，并与电源附加阴极联接。以废钢、铬铁、钼铁为原料，按常规的真空电弧冶炼的方法完成炉料的熔化、精炼和合金化，然后向炉中通入含氮元素的气体，并调节真空度到40Pa。接通阳极与附加阴极的电源，其电压调节范围为50V-1500V，逐步由低到高调节电源电压，在调节电压的同时从观察孔观察附加阴极表面，当出现辉光放电时，表明已达到点燃电压，随后继续提高电源电压，当观察到整个附加阴极表面全部被负辉区覆盖后，表明已达到在异常辉光区稳定工作的状态。在这种状态下，正电价的氮离子(N⁺)或游离的氮原子向熔池液面沉积，使液体的氨含量随着时间的延长会逐步提高，同时在电弧作用下搅拌流动，液面的液体不断被含低氮的液体更新，如此不断重复液面的渗氮过程，直到当整个坩埚内液体的氮含量达到预定值，然后进行浇注和凝固。获得含氮量达到0.6％的Cr-Mo合金结构钢，经热处理为强度极限达到＞2000MPa。

实施例3

在高能束真空熔炼炉内液面侧上方设置阳极板，阳极板呈成一定角度的圆锥面，在阳极与坩埚之间设置带孔的不锈钢板，作为附加阴极。液态金属合金处于与附加阴极相同或不同的负电位。用不锈钢废钢和镍、铬为原料，按常规的高能束真空冶炼的方法，进行加热熔化、精炼和合金化之后，向炉内通入含氮元素的气体，并调节真空度到1000Pa。接通阳极与附加阴极的电源，其电压调节范围为300V-3000V，逐步由低到高调节电源电压，在调节电压的同时从观察孔观察附加阴极表面，当出现辉光放电时，表明已达到点燃电压，随后继续提高电源电压，当观察到整个附加阴极表面全部被负辉区覆盖后，表明已达到在异常辉光区稳定工作的状态。在这种状态下，正电价的氮离子(N⁺)或游离的氮原子以及从附加阴极中溅射出的铁氮化合物微小颗粒向熔池液面沉积，使液体的氮含量随着时间的延长会逐步提高，直到当整个坩埚内液体的氮含量达到预定值，然后将高氮Ni-Cr不锈钢的钢液用喷粉方法制成高氮不锈钢粉末。使得奥氏体不锈钢粉末的含氮量达到1.5％N，这种粉末可用作高氮粉末不锈钢的原料。

实施例4

在真空炉外精炼设备内部空间的上方设置一个附加阴极，在熔体液上方设置一个用GCr15钢板制作的附加阴极，阳极与附加阴极电源电压调节范围为400V-10000V，GCr15钢液经过脱气精练之后，通入含99.99％高纯氮，将真空度调节至5000Pa，接通阳极与附加阴极的电源，电压由低向高逐渐调节直至附加阴极辉光区覆盖整个钢液的表面，钢水中含氮量逐渐提高，当含氮量达到0.5％N时，进行浇注，获得高氮轴承钢，耐磨性比普通轴承钢提高一倍。

Claims (7)

1、一种用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征在于，在真空熔炼设备炉内熔池液面的上方设置阳极，在阳极与熔池液面之间设置一个带孔的附加阴极，用真空熔炼方法进行炉料的加热、熔化、精炼及调整合金元素的含量，然后通入含有氮的气体，对阳极和阴极施加电压，使气体中氮原子电离成氮离子、调节电源电压使极间电压达到能维持在异常辉光放电区稳定工作的电压，并使阴极周围形成稳定的覆盖整个阴极表面的阴极辉光区，空间中的氮离子、活性氮原子以及从附加阴极中溅射出来的氮化物微粒沉积在熔池的液面上，并通过液相中的扩散和对流使熔池内金属合金的含氮量提高，从而实现高氮钢或高氮合金的熔炼。

2、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，通入含有氮的气体后，将真空度保持在40-1×10⁴Pa范围内。

3、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，阳极和阴极的电源电压的调节范围为3×10²V-1×10⁴V。

4、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，带孔的阴极板是一个与液面平行的板，或是处于液面上方呈筒形或锥筒形。

5、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，熔炼加热热源为感应方式加热、电弧方式加热、电阻加热或高能束方式加热。

6、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，坩埚内放置的熔炼物料是纯铁、纯金属、合金、废钢、Ni或镍基合金。

7、如权利要求1所述的用附加阴极辉光放电熔炼高氮钢的方法，其特征是，金属合金液体通过附加电磁搅拌、机械搅拌或热对流的方式增加其运动能力，熔体内部的氮含量趋于均匀。