專利名稱：金屬凝固過(guò)程中彌散植入細(xì)微異相粒子的方法和添加原料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬的凝固和連續(xù)鑄造領(lǐng)域，特別涉及到一種金屬凝固 過(guò)程中細(xì)微異相粒子的彌散植入。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)械制造業(yè)能力的提高和加工水平的不斷進(jìn)步，對(duì)高強(qiáng)度、高 韌性鋼材的需求日益增加，如汽車、工程機(jī)械、集裝箱、煤礦機(jī)械等開(kāi) 始廣泛使用了高強(qiáng)度的鋼鐵材料，又如在造船業(yè)大線能量焊接技術(shù)的應(yīng) 用對(duì)船體材料的再結(jié)晶細(xì)化提出了特殊要求。在傳統(tǒng)技術(shù)中，這些材料
一般采用復(fù)雜的高合金化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，大大增加了材料的制造成本，因此 迫切需求新的技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本、高性能產(chǎn)品的生產(chǎn)。
鋼液凝固過(guò)程中存在的和新析出的細(xì)小的異相粒子(或稱第二相粒 子)可用于釘扎晶界、細(xì)化晶粒、改善組織，這些異相粒子通常包括氧 化鈦、氧化鋯、氧化鎂、氧化鋁、氧化錳等。
近年來(lái)，由于高功率、大線能量的焊接技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，焊接溫 度進(jìn)一步升高，因而需要尋找更為穩(wěn)定的第二相粒子以釘扎焊接熱影響 區(qū)的奧氏體晶界，細(xì)化焊接后的金屬組織，提高焊接熱影響區(qū)的鋼材強(qiáng) 度。
一般金屬氧化物自由能很低，在高溫下也能穩(wěn)定存在，利用金屬氧
化物粒子改善凝固組織、細(xì)化晶粒，這一技術(shù)被稱為"氧化物冶金"，它 業(yè)已成為冶金材料界的研究熱點(diǎn)之一。異相粒子在鋼中的這種良好作用 主要依賴于它的細(xì)小化和彌散化程度，鋼中異相粒子越小彌散程度越高，
其對(duì)鋼組織的細(xì)化作用就越強(qiáng)；否則，鋼中異相粒子越大、彌散程度越 差，就變成了有害的夾雜物。
目前，在實(shí)際生產(chǎn)中在鋼中獲得細(xì)小彌散的異相粒子的方法主要有 兩個(gè)途徑 一是通過(guò)控制冶煉和精煉，首先在鋼水中生成大量細(xì)小的氧 化物。但由于從鋼水包到金屬全凝固還需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間， 一般約為1 小時(shí)，在這期間部分細(xì)小的氧化物可能長(zhǎng)大成為有害的夾雜，也是由于 這種長(zhǎng)大過(guò)程不可避免，因此很少采用該技術(shù)路線。另一種途徑是在精 煉過(guò)程控制極低的鋁含量，采用弱脫氧工藝，以保持精煉后的鋼水仍含 有一定的自由氧含量(如20 30ppm自由氧)，在凝固過(guò)程中這些自由氧 將析出，并與鋼中合金元素鈦等反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物(見(jiàn)王明林，成 國(guó)光等，《含鈦低碳鋼凝固過(guò)程鈦氧化物形成熱力學(xué)》，鋼鐵研究學(xué)報(bào)， 2004， 16 (3): 40-43 )。由于鋼水凝固從液相線到固相線僅有幾分鐘的時(shí) 間，因此所形成的氧化物粒子極小，這些細(xì)小的氧化物粒子的存在便有 效的細(xì)化了凝固組織、抑制了晶粒的長(zhǎng)大。但采用該工藝路線的缺點(diǎn)就 是精煉后鋼水中的自由氧難以控制，自由氧含量低無(wú)法形成大量的氧化 物粒子，起不到細(xì)化凝固組織、抑制晶粒長(zhǎng)大的作用；自由氧含量略高 就會(huì)造成鑄坯大量皮下氣泡，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。
近年來(lái)一些冶金工作者也進(jìn)行了向連鑄過(guò)程結(jié)晶器內(nèi)添加合金元素 的方法研究工作，這些工作主要分為兩類 一是向結(jié)晶器內(nèi)喂入包裹著
合金元素的包芯線；二是通過(guò)浸入式排出管直接向結(jié)晶器內(nèi)鋼液噴吹或 倒入合金。如中國(guó)實(shí)用新型專利"稀土喂絲機(jī)"(專利號(hào)91203718.0 ) 提出了一種用于澆鋼過(guò)程中加稀土的喂絲機(jī)，主要由底板、直流電機(jī)、 齒輪箱、減速機(jī)、導(dǎo)絲管、導(dǎo)絲管固定器、送絲輪、壓絲輪、進(jìn)絲速度 傳感器、稀土絲入口管、調(diào)壓裝置，轉(zhuǎn)盤(pán)、搖臂、測(cè)量輪等組成。該裝 置不易卡絲、斷絲，對(duì)于稀土絲的油、蠟?zāi)軌蜃詣?dòng)清除、不會(huì)產(chǎn)生打滑， 測(cè)絲速度真實(shí)、準(zhǔn)確，進(jìn)絲速度與拉坯速度可同步，穿絲容易，導(dǎo)絲管 拆卸方便迅速、導(dǎo)絲管能隨著結(jié)晶器的振動(dòng)而擺動(dòng)，電氣故障低，占用 操作平臺(tái)面積小、能自動(dòng)報(bào)警，操作靈活。
又如中國(guó)發(fā)明專利"一種金屬液體中合金加入方法及其裝置"(申請(qǐng) 號(hào)03116839. 6 )提出了一種金屬液體合金加入的方法，金屬液體通過(guò) 浸入式排出管從金屬液體存放器澆注到結(jié)晶器，在浸入式排出管中，采 用噴射或喂線方式向金屬液注流中加入合金材料。加入裝置包括浸入式 排出管、氣體密封裝置、至少一個(gè)導(dǎo)管、感應(yīng)加熱器；其中，浸入式排 出管兩端分別與金屬液體存放器和結(jié)晶器相連通，其上開(kāi)有至少一個(gè)導(dǎo) 孔；氣體密封裝置設(shè)置于導(dǎo)孔處，包括本體，其上設(shè)有至少一個(gè)氣管； 導(dǎo)管連通于浸入式排出管上的導(dǎo)孔；感應(yīng)加熱器設(shè)置于導(dǎo)管上。合金材 料在浸入式排出管中金屬液注流的高溫下很快熔化，并得到強(qiáng)大的注流 動(dòng)量，與金屬液極好的混合，杜絕了合金元素的氧化；且大大提高稀土 元素在鋼中的均勻性，提高稀土的回收率，消除水口結(jié)瘤現(xiàn)象。
上述兩個(gè)專利都是為了向結(jié)晶器內(nèi)鋼液中加入可熔化的合金，如果 采用上述方案向鋼液中加入金屬氧化物包芯線或固體金屬氧化物，那么
必然造成鋼水污染、夾雜物增加。
針對(duì)上述技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了 一種金屬凝固過(guò) 程中細(xì)^f敖異相粒子的彌散植入方法和添加原料。
發(fā)明技術(shù)內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬凝固過(guò)程中細(xì)微異相粒子的彌散植 入方法和添加原料，為金屬液的凝固形成等軸晶帶來(lái)大量形核核心，對(duì) 其后的金屬加工過(guò)程中的相變、熱處理以及焊接等晶粒長(zhǎng)大起到有效的 抑制作用。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供了 一種金屬凝固過(guò)程中的細(xì)微異相粒子的彌散植入方法:
是向凝固過(guò)程中的金屬液3內(nèi)連續(xù)不斷喂入一種由金屬或合金為基體以 及金屬氧化物組成的添加原料4，該添加原料為棒或板帶，含有重量百分 比0. 2 % ~ 6 % 、尺寸大小為10nm~ 1000nm的金屬氧化物；并在振動(dòng)源5 的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)，其插入金屬液3的部分被連續(xù)熔化，其中 的金屬氧化物在振動(dòng)和流體流動(dòng)的作用下被均勻彌散到整個(gè)液相中。
添加原料4中所含的金屬氧化物可以是氧化鈦、氧化鎂、氧化鋯、 氧化鈣、氧化鋁、氧化錳等的單一物質(zhì)，也可以是多種氧化物的組合。
添加原料4基體可以是金屬鐵、銅、鋁等單一金屬，也可以是這些 單一金屬與其它幾個(gè)或多個(gè)元素包括錳、硅、鋁、碳、鈦、鉻、鎳等組 成的合金。
這種添加原料4是由基體金屬或合金的粉體與金屬氧化物粉體按照
一定比例混合均勻后，壓制、燒結(jié)成型。燒結(jié)的目的是為了使金屬或合 金粉體在高溫下擴(kuò)散，進(jìn)而成為一個(gè)整體，然后加工制造成所需尺寸規(guī) 格。
為了防止喂入金屬液中的添加原料4在燒結(jié)成型過(guò)程中的氧化，也 可以將金屬或合金粉以及金屬氧化物粉體壓制成型后，先包裹一層0. 1 ~ 1. Omm厚的與金屬基體成份相近的金屬皮，如鐵或銅或鋁的金屬皮，然后 再進(jìn)行燒結(jié)。
添加原料4中所含的金屬氧化物總量為0. 2%~6%，尺寸大小為 10nm 1000nm;金屬氧化物的總量不易過(guò)多，總量過(guò)多(〉6%)時(shí)會(huì)使金 屬氧化物在添加原料4內(nèi)就連接成大顆粒的片狀或網(wǎng)狀?yuàn)A雜物。
基體金屬或合金的粉體的各元素(包括鐵、錳、硅、鋁、碳、鈦、 鉻、鎳等)的顆粒尺寸為0. l~100nm。壓制成的棒直徑為c|)10mm~ (j) 35mm,板帶的厚度為2mm~ 10咖、寬度為20mm~ 150mm。這種棒或板帶的 金屬或合金基體熔點(diǎn)與所處理的金屬液3的熔點(diǎn)相近，即低于正在處理 的金屬液的溫度；金屬或合金基體的熔點(diǎn)可以通過(guò)棒或板帶制作過(guò)程中 添加錳、硅、鋁、碳、鈦、鉻、鎳等合金元素進(jìn)行調(diào)整。
喂入金屬液中的添加原料4在振動(dòng)源5的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)， 其振動(dòng)頻率為20 ~ 3000Hz,振幅為0. 05 ~ 0. 3mm。
可以向連鑄過(guò)程結(jié)晶器1內(nèi)喂入上述添加原料4,也可以向連鑄過(guò)程 中間包8中喂入上述添加原料4。
向金屬液中喂入添加原料4的速度為0. 2 ~ 2米/分鐘。
向金屬液中喂入添加原料4時(shí)，可以采用振動(dòng)方式喂入，也可以不
采用振動(dòng)方式喂入。


圖1是在結(jié)晶器中進(jìn)行彌散植入的示意圖。
圖2是添加原料4插入金屬液3中熔化的示意圖。 圖3是在中間包中進(jìn)行彌散植入的示意圖。 附圖標(biāo)記
1結(jié)晶器 2浸入式水口3金屬液 4添加原料 5振動(dòng)源
6支撐導(dǎo)向輥 7開(kāi)巻機(jī) 8中間包 9大包長(zhǎng)水口 10添加原料4熔化后進(jìn)入金屬液中的氧化物粒子
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施例。 實(shí)施例1應(yīng)用于結(jié)晶器中
在實(shí)際使用時(shí)，添加原料4通過(guò)開(kāi)巻機(jī)7、支撐導(dǎo)向輥6被送入到結(jié) 晶器的金屬液3內(nèi)(見(jiàn)圖1 )，同時(shí)添加原料4在振動(dòng)源5的驅(qū)動(dòng)下做高 頻小振幅振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為20~3000Hz，振幅為0. 05-0. 3ran。施加 振動(dòng)的目的是加速添加原料4的熔化，并將基體熔化后剩余的金屬氧化 物粒子快速?gòu)椛涞浇饘偃荏w中。當(dāng)添加原料4插入金屬液3內(nèi)，由于基 體金屬或合金熔點(diǎn)低，基體金屬或合金就會(huì)被熔化，而其內(nèi)高熔點(diǎn)的金 屬氧化物則被保存下來(lái)，并在金屬流動(dòng)和振動(dòng)的共同作用下均勻彌散地
分布到整個(gè)金屬液中(見(jiàn)圖2)。由于從金屬氧化物被彈射到金屬液中到 金屬液全部凝固也就只有幾分鐘到十幾分鐘，因此金屬氧化物在金屬液 中碰撞長(zhǎng)大的幾率和程度都很小；加上金屬氧化物的顆粒又非常的小， 已不能上浮，只能隨著金屬流體進(jìn)行流動(dòng)，所以凝固后的金屬組織中可 以得到大量細(xì)小尺寸的(0. l|i[ii~2. Oiam)、能夠起到細(xì)化組織、抑制晶 粒長(zhǎng)大的異相細(xì)^t粒子。
添加原料4的喂入金屬液3速度可根據(jù)金屬凝固組織對(duì)異相粒子的 需求量進(jìn)行調(diào)整，并要求保證添加原料4插入金屬液面下10 ~ 50隨范圍 內(nèi)必須全部熔化，計(jì)算模擬和試驗(yàn)研究結(jié)果表明合適的喂入速度為 0. 2-2米/分。
對(duì)喂入金屬液3的添加原料4施加以振動(dòng)的目的是為了加速添加原 料4的熔化，促進(jìn)其內(nèi)金屬氧化物在金屬液中的彌散分布，因此在金屬 凝固組織中對(duì)金屬氧化物需求量小的情況下也可以不采用振動(dòng)方式。
實(shí)施例2應(yīng)用于中間包
另一種實(shí)施方案是將由金屬或合金基體以及金屬氧化物組成的添加 原料4喂入中間包中(見(jiàn)圖3)。由于中間包鋼水到全凝固也只有十幾分 鐘，因此處理后的金屬凝固組織中也可以得到大量彌散的細(xì)微異相粒子。
權(quán)利要求
1、一種在金屬凝固過(guò)程中的細(xì)微異相粒子的彌散植入方法，其特征在于向凝固過(guò)程中的金屬液(3)內(nèi)連續(xù)地喂入一種長(zhǎng)條狀添加原料(4)，所述添加原料(4)為棒或板帶狀，以金屬或合金為基體、含有重量百分比0.2％～6％、尺寸10nm～1000nm的金屬氧化物；所述添加原料(4)在振動(dòng)源(5)的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)，使得添加原料(4)插入金屬液(3)的部分被連續(xù)熔化，其中的金屬氧化物在振動(dòng)和流體流動(dòng)的作用下被均勻彌散到整個(gè)液相中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述添加原料(4) 中所含的金屬氧化物為氧化鈦、氧化鎂、氧化鋯、氧化釣、氧化鋁、氧 化錳中的至少一種或其組合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述添加原料(4) 的基體金屬是金屬鐵、銅、鋁中的任意一種，或者是這些金屬與錳、硅、 鋁、碳、鈦、鉻、鎳中的至少一種組成的合金。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述基體金屬或合金 成份與金屬液(3)的成份相近，熔點(diǎn)低于金屬液(3)的溫度，所述熔 點(diǎn)可以通過(guò)向其內(nèi)加入錳、硅、鋁、碳、鈦、鉻、鎳合金元素進(jìn)行調(diào)整。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述添加原料(4) 是由基體金屬或合金粉體以及金屬氧化物粉體按一定比例混合均勻壓 制、燒結(jié)成型，然后加工制造成所需尺寸規(guī)格。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于壓制成型后的金屬或 合金粉以及金屬氧化物粉體，還包覆O. 1 1.0隨厚的金屬層，然后再進(jìn) 行燒結(jié)；所述包覆層為與金屬基體成份相近的鐵或銅或鋁的金屬皮。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述添加原料(4) 在振動(dòng)源(5 )的驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)頻率為20 ~ 3000Hz，振幅為0. 05 ~ 0. 3固。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述添加原料(4) 喂入連鑄過(guò)程結(jié)晶器(1)內(nèi)，或者連鑄過(guò)程中間包(8)中。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于向金屬液中喂入添加 原料(4 )的速度為0. 2 ~ 2米/分鐘。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于向金屬液中喂入添 加原料(4)采用振動(dòng)方式或者不振動(dòng)方式。
11 、 一種用于在金屬凝固過(guò)程中彌散植入細(xì)微異相粒子的添加原料，其特征在于該添加原料(4)為棒或板帶狀，以金屬或合金為基體、含有重量百 分比0. 2% ~ 6% 、尺寸lOnm- 1000nm的金屬氧化物；將長(zhǎng)條狀添加原料(4)連續(xù)地喂入凝固過(guò)程中的金屬液(3)內(nèi)， 所述添加原料(4)在振動(dòng)源(5)的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)，使得添 加原料(4)插入金屬液(3)的部分被連續(xù)熔化，其中的金屬氧化物在 振動(dòng)和流體流動(dòng)的作用下被均勻彌散到整個(gè)液相中。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的添加原料，其特征在于所述添加原料 (4)中所含的金屬氧化物為氧化鈦、氧化鎂、氧化鋯、氧化鈣、氧化鋁、氧化錳中的至少 一種或其組合。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的添加原料，其特征在于所述基體金屬 或合金成份與金屬液(3)的成份相近，熔點(diǎn)低于金屬液(3)的溫度， 所述熔點(diǎn)可以通過(guò)向其內(nèi)加入錳、硅、鋁、碳、鈦、鉻、鎳合金元素進(jìn) 行調(diào)整。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的添加原料，其特征在于該原料是由基 體金屬或合金粉體以及金屬氧化物粉體按一定比例混合均勻壓制、燒結(jié) 成型，然后加工制造成所需尺寸規(guī)格。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的添加原料，其特征在于壓制成型后的 金屬或合金粉以及金屬氧化物粉體，還包括0. 1 ~ 1. O畫(huà)厚的金屬包覆層， 然后再進(jìn)行燒結(jié)；所述包覆層為與金屬基體成份相近的鐵或銅或鋁的金 屬皮。
16、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的添加原料，其特征在于其基體金屬或 合金中的元素包括鐵、錳、硅、鋁、碳、鈦、鉻、鎳的顆粒，尺寸為 0. 1 ~ 100 jam。
17、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的添加原料，其特征在于原料棒的直徑 為cj) 10mm~ (J) 35mm,原料板帶的厚度為2mm 10mm、寬度為20mm~ 150,。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬的凝固與連續(xù)鑄造領(lǐng)域，特別涉及一種金屬凝固過(guò)程中彌散植入細(xì)微異相粒子的方法和添加原料，該方法是向凝固過(guò)程中的金屬液內(nèi)連續(xù)喂入一種由金屬或合金基體以及金屬氧化物組成的棒或板帶，這種棒或板帶中含有重量百分比0.2％～6％、尺寸為10nm～1000nm的金屬氧化物，并在振動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)，其插入金屬液的部分被連續(xù)熔化，而其中的高熔點(diǎn)的金屬氧化物則在振動(dòng)和流體流動(dòng)的作用下被均勻彌散到整個(gè)液相中，使凝固后的金屬組織中得到大量彌散分布的細(xì)微粒子。這些細(xì)微粒子不僅為金屬液的凝固形成等軸晶帶來(lái)大量形核核心，而且對(duì)其后的金屬加工過(guò)程中的相變、熱處理以及焊接等晶粒長(zhǎng)大起到有效的抑制作用。
文檔編號(hào)B22D27/00GK101104197SQ20071011993
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者仇圣桃, 姬秀琴, 勇 干, 慧 張, 楊才福, 玫 王, 王明林, 胡坤太, 陶紅標(biāo), 顏慧成 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院