專利名稱：一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煉鋼及鋼鐵材料強(qiáng)韌化技術(shù)，具體地說(shuō)，是提供了一種在煉鋼過(guò)程中 通過(guò)外加納米顆粒來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和韌性的方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵材料的強(qiáng)韌化是鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域的重要課題，是鋼材減量化和長(zhǎng)壽化使用，實(shí) 現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑，是發(fā)展高性能鋼的必由之路。當(dāng)前鋼的強(qiáng)韌化基本方法有以下幾 種高純化冶煉(通過(guò)各種精煉手段，盡可能降低有害元素含量，合理控制夾雜物狀態(tài))，合 金化和微合金化(在鋼中形成細(xì)微析出相，與顯微缺陷作用形成強(qiáng)化)，晶粒細(xì)化和均勻化 (通過(guò)多道次軋制和控軋控冷實(shí)現(xiàn))，薄板坯連鑄連軋鋼中納米析出相的綜合強(qiáng)韌化以及 熱處理強(qiáng)化等。雖然鋼的強(qiáng)韌化方法途徑很多，但這些強(qiáng)化方法的共同基礎(chǔ)是冶煉必須提 供較高潔凈度的鋼液。目前，通過(guò)精煉降低有害元素含量已達(dá)到了較高水平，即使如此，但 如果鋼中存在大顆粒夾雜物，仍然會(huì)對(duì)鋼材性能有極大破壞作用。因此，如何在煉鋼過(guò)程中 進(jìn)行夾雜物的合理控制成為潔凈鋼生產(chǎn)和研究的關(guān)鍵問題之一。目前，對(duì)于夾雜物的塑性 化控制，在個(gè)別鋼種(如硬線鋼)中已有較為成熟的工藝方法，但是如何進(jìn)行夾雜物的尺寸 細(xì)化控制仍沒有很好的方法，這成為當(dāng)前發(fā)展高性能鋼鐵材料的瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問題，借鑒納米科技的發(fā)展成果，本發(fā)明目的是提供一種在煉鋼 過(guò)程中，通過(guò)向鋼液中外加高熔點(diǎn)納米級(jí)顆粒的方法來(lái)增加鋼液中的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，利用納米 粒子作為新生夾雜物和鋼液結(jié)晶的非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，以彌散細(xì)化夾雜物和鋼的晶粒，從而 提高鋼的強(qiáng)度和韌性的方法，即一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，屬于高溫物理 冶金的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，在煉鋼過(guò)程中 加入納米添加劑顆粒。在煉鋼過(guò)程中加入納米添加劑顆粒步驟如下(1)將納米粉加入無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲分散，待乙醇完全揮發(fā)；(2)將經(jīng)過(guò)超聲分散的納米粉體與對(duì)鋼液無(wú)污染的輔料按質(zhì)量比1 8-10進(jìn)行配 料，通過(guò)球磨機(jī)球磨混合48小時(shí)以上；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機(jī)壓制成形為納米添加劑顆粒；(4)在出鋼過(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流加入第(3)步成形的納米添加劑顆粒，或 者出鋼前直接加入至鋼包底部。所述納米粉為納米Al2O3粉、納米TiN粉或納米Al2O3和TiN混合粉。所述輔料為Fe含量彡99%的鐵粉。納米粉分散在鐵粉中，其通過(guò)成型機(jī)壓制成為方形或圓柱形的納米添加劑顆粒， 方形的邊長(zhǎng)a范圍為IOmm彡a彡15mm，圓柱形直徑d和高h(yuǎn)范圍為IOmm彡d彡15mm,IOmm ^ h ^ 15mm。納米添加劑顆粒按每噸鋼液加入200g計(jì)算，即質(zhì)量百分比為0. 02%。納米添加劑顆?？梢栽诔鲣撨^(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流一次加入或者出鋼前一 次直接加入至鋼包底部；也可在出鋼過(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流加入80%的納米添加劑 顆?；蛘叱鲣撉爸苯蛹尤?0 %的納米添加劑顆粒至鋼包底部，余下的20 %的納米添加劑 顆粒在連鑄結(jié)晶器或模鑄的中注管中加入。納米粉為納米Al2O3和TiN混合粉時(shí)，其混合比例是任意的。與傳統(tǒng)的高純化冶煉及各種強(qiáng)韌化方法比較，本發(fā)明的工藝方法不改變現(xiàn)有煉鋼 生產(chǎn)工藝，不增加煉鋼設(shè)備，不污染鋼液和環(huán)境，不增加勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，特別是鋼的力學(xué) 性能有較大幅度的提高，如對(duì)55SiMnMo鋼，添加0. 02%納米Al2O3粒子后，鋼的屈服強(qiáng)度、 沖擊韌性、延伸率均有較大幅度提高，如表1所示，分別提高17. 8%,93. 8%,60. 0%。表1未加和添加Al2O3納米粉55SiMnMo力學(xué)性能比較
指標(biāo)屈服強(qiáng)度os/MPa延伸率δ5/%沖擊韌性Ak/J未加Al2O3880-9204.0-6.020-28添加 0.02% Al2O31020-11007.0-9.045-48指標(biāo)平均增量％17.860.093.8
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一(1)首先，將納米Al2O3粉放入容器中，加入無(wú)水乙醇，然后放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn) 行超聲分散，分散完畢后待乙醇完全揮發(fā)；(2)將經(jīng)過(guò)超聲分散的納米粉與對(duì)鋼液無(wú)污染的輔料(高純鐵粉)按質(zhì)量比1 8 進(jìn)行配料，然后采用球磨機(jī)長(zhǎng)時(shí)間(》48h)球磨混合；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機(jī)壓制成方形的納米添加劑顆 粒，方形的邊長(zhǎng)(用a表示)范圍IOmm彡a彡15mm ；(4)按每噸鋼液加入200g納米粉(即質(zhì)量百分比為0.02%)計(jì)算，稱取所需納米 添加劑顆粒的總量；(5)電爐冶煉，冶煉鋼種為中空鋼55SiMnMo，鋼液成分和溫度達(dá)到要求后，出鋼， 隨鋼流加入納米添加劑顆粒，加入量為總量的80%，然后加入脫氧劑脫氧；(6)連鑄，在連鑄結(jié)晶器中加入剩余的納米添加劑顆粒，加入量為總量的20% ；(7)對(duì)鑄錠進(jìn)行鍛壓加工，變形量為80%，空冷至室溫；(8)檢測(cè)試樣的屈服強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性，結(jié)果見表1。實(shí)施例二 (1)首先，將納米TiN粉放入容器中，加入無(wú)水乙醇，然后放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn) 行超聲分散，分散完畢后待乙醇完全揮發(fā)；(2)將經(jīng)過(guò)超聲分散的納米粉與對(duì)鋼液無(wú)污染的輔料(高純鐵粉)按質(zhì)量比
41 10進(jìn)行配料，然后采用球磨機(jī)長(zhǎng)時(shí)間(彡48h)球磨混合；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機(jī)壓制成圓柱形的納米添加劑顆 粒，圓柱形直徑(用d表示)和高(用h表示)范圍IOmm彡d彡15mm, IOmm彡h彡15mm ；(4)按每噸鋼液加入200g納米粉(即質(zhì)量百分比為0.02%)計(jì)算，稱量所需納米 添加劑顆粒的總量；(5)電爐冶煉，冶煉鋼種為中空鋼55SiMnMo，鋼液成分和溫度達(dá)到要求后出鋼。納 米添加劑顆粒提前加入鋼包底部，加入量為總量的80%，然后加入脫氧劑脫氧；(6)模鑄，在模鑄中注管中加入剩余的納米添加劑顆粒，加入量為總量的20% ；(7)對(duì)鑄錠進(jìn)行鍛壓加工，變形量為80%，空冷至室溫；(8)檢測(cè)試樣的屈服強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性，結(jié)果見表2，屈服強(qiáng)度有較大幅度 提高，延伸率和沖擊韌性減小不大。表2未加與添加納米TiN顆粒的55SiMnMo鋼機(jī)械性能比較
權(quán)利要求
一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是在煉鋼過(guò)程中加入納米添加劑顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是在煉鋼 過(guò)程中加入納米添加劑顆粒步驟如下(1)將納米粉加入無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲分散，待乙醇完全揮發(fā)；(2)將經(jīng)過(guò)超聲分散的納米粉體與對(duì)鋼液無(wú)污染的輔料按質(zhì)量比1 8-10進(jìn)行配料， 通過(guò)球磨機(jī)球磨混合48小時(shí)以上；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機(jī)壓制成形為納米添加劑顆粒；(4)在出鋼過(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流加入第(3)步成形的納米添加劑顆粒，或者出 鋼前直接加入至鋼包底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是所述納 米粉為納米Al2O3粉、納米TiN粉或納米Al2O3和TiN混合粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是所述輔 料為Fe含量>99%的鐵粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納米粉 分散在鐵粉中，其通過(guò)成型機(jī)壓制成為方形或圓柱形的納米添加劑顆粒，方形的邊長(zhǎng)a范 圍為IOmm彡a彡15mm,圓柱形直徑d和高h(yuǎn)范圍為IOmm彡d彡15mm, IOmm彡h彡15mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納米添 加劑顆粒按每噸鋼液加入200g計(jì)算，即質(zhì)量百分比為0. 02%。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納 米添加劑顆?？梢栽诔鲣撨^(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流一次加入或者出鋼前一次直接加入 至鋼包底部；也可在出鋼過(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流加入80%的納米添加劑顆粒或者出 鋼前直接加入80%的納米添加劑顆粒至鋼包底部，余下的20%的納米添加劑顆粒在連鑄 結(jié)晶器或模鑄的中注管中加入。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納米粉 為納米Al2O3和TiN混合粉時(shí)，其混合比例是任意的。全文摘要
本發(fā)明是一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法，涉及煉鋼及鋼鐵材料強(qiáng)韌化技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)超聲分散、與高純鐵粉混合球磨分散及壓制成形的方法制備成納米添加劑顆粒；在出鋼過(guò)程脫氧劑加入之前，隨鋼流加入或直接加入鋼包底部，另外，在連鑄結(jié)晶器或模鑄中注管中加入部分納米添加劑顆粒。由于采用預(yù)分散的方法制成納米添加劑顆粒，所以可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒加入鋼液中后達(dá)到高度彌散化、均勻化，從而可作為夾雜物形核和鋼液凝固結(jié)晶的形核核心，彌散細(xì)化夾雜物、細(xì)化鋼的晶粒，達(dá)到提高鋼材強(qiáng)韌性的目的。本發(fā)明還可以用于除鋼鐵材料以外的其他金屬或合金結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化處理。
文檔編號(hào)B22D1/00GK101967534SQ20101028013
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月12日
發(fā)明者方克明, 王國(guó)承 申請(qǐng)人:江西理工大學(xué)