專利名稱：一種在鋼液中形成Ti₂O₃納米顆粒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵材料領(lǐng)域，涉及一種在鋼液中形成納米Ti203顆粒的制備方法。
背景技術(shù)：
與納米塊狀金屬材料相比，納米顆粒彌散強(qiáng)化金屬材料可保持合金延伸率，同時(shí) 將合金的強(qiáng)度大幅度提高，且強(qiáng)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)上所使用的微米級(jí)和亞微米級(jí) 的第二相粒子彌散強(qiáng)化，納米彌散相強(qiáng)化鋼鐵的研究成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。納米強(qiáng)化不但可 大幅度提高結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度，還可以提高合金的高溫蠕變性能。納米強(qiáng)化技術(shù)對(duì)于汽車行業(yè)、 船舶行業(yè)、電力行業(yè)等廣泛領(lǐng)域用鋼具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 在鋼鐵中形成納米強(qiáng)化，近年來(lái)報(bào)道的方法主要有MA/0DS或MA/CDS法、變形熱 處理法。MA/ODS或MA/CDS法是將數(shù)種金屬粉末在高能球磨機(jī)中混合，反復(fù)進(jìn)行壓合和破 碎，應(yīng)用機(jī)械合金化等過(guò)程實(shí)現(xiàn)合金化和氧化物或碳化物顆粒的均勻彌散分布。該方法是 自上個(gè)世紀(jì)60年代首次推出，由于這種方法生產(chǎn)的材料具有很好的高溫性能，目前仍是研 究的熱點(diǎn)。利用MA/ODS或MA/CDS制備，普遍認(rèn)為過(guò)程復(fù)雜、成本高。另一種方法是變形 熱處理，變形包括熱變形和冷變形，通過(guò)壓力加工的變形處理在鋼中形成了大量的位錯(cuò)和 空位，有利于后續(xù)的熱處理過(guò)程中納米彌散相的析出。對(duì)于含Ti鋼通過(guò)后續(xù)的變形熱處 理，可以獲得Ti的氮化物、碳化物或碳氮化物彌散析出相，依據(jù)合金成分和變形熱處理工 藝不同，析出相種類有差別，平均顆粒大小也不同，從10納米到幾百納米不等。例如成份 (wt. % )為Fe-1. 5Mn-(0. 1-0. 2)Mo_(0. 065-0. 085)Ti_(0. 07-0. 09)Nb_(0. 0005-0. 0010) B-0. 06C的含C、 N的鋼通過(guò)將鋼以1.5-2°C /s的加熱速率在真空爐中加熱到1200°C， 然后經(jīng)過(guò)87(TC _9701:變形加工，最后空冷到室溫，可以形成幾納米到500納米鈦的碳 化物禾口氮化物[R D K Misra， H Nathani， J E Hartma皿，F(xiàn)Siciliano. Microst潔tural evolution in a new 770MPa hot rolled Nb_Timicroalloyed steel，Materials Science and Engineering A 394(2005)339-352]。 文章[S W 0oi， G Fourlaris. A comparative study of precipitationeffects in Ti only and Ti_V Ultra Low Carbon饑C) strip steels. MaterialsCharacterization 56(2006)214-226]中指出成分為0. 0025wt % C， 0. 0038wt% N，0. 0030wt% N，0. 0200wt% Al，O. 1600wt% Mn，O. 0120wt% P，0. 0260wt% Ti， 0. 0030wt% Nb，O. 0010wt% V的極低碳鋼經(jīng)過(guò)80%變形冷軋及退火后，形成了納米級(jí)鈦的 氮化物和碳化物。 目前應(yīng)用合金熔煉的方法在鋼中獲得的含Ti納米級(jí)強(qiáng)化相主要是氮化物或碳氮 化物，一般需對(duì)凝固合金進(jìn)行變形熱處理才能獲得；而直接通過(guò)合金熔煉凝固辦法，在鋼鐵 中獲得納米強(qiáng)化相Ti203顆粒還鮮見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在合金熔煉時(shí)加入納米強(qiáng)化相Ti203的形成元素Ti、 O，在鋼液中形 成穩(wěn)定的納米Ti203顆粒，在凝固后獲得納米顆粒Ti203彌散強(qiáng)化的鋼合金。
發(fā)明人近些年來(lái)，對(duì)合金凝固過(guò)程中納米相的析出，進(jìn)行了深入的基礎(chǔ)研究，部分 石開(kāi)究結(jié)果見(jiàn)[Zidong Wang，Xuewen Wang， QiangsongWang, I Shih and J J Xu. Fabrication of a nanocomposite from in situ iro皿anoparticle reinforced copper alloy， Nanotechnology, 2009， 20 :075605]。我們得到的初步結(jié)論是1)高熔點(diǎn)析出相原子溶解 在低熔點(diǎn)金屬中形成的合金熔體，其溶解度隨著溫度降低而降低，在從澆注溫度到凝固溫 度，相對(duì)析出相的熔點(diǎn)，析出相獲得了很大過(guò)冷度，形核半徑極小，可以形成納米級(jí)的析出 顆粒；2)熔體中的高熔點(diǎn)析出相原子濃度不能過(guò)高，避免納米顆粒長(zhǎng)大。這兩條是獲得納 米11203顆粒彌散強(qiáng)化鋼合金的理論基礎(chǔ)；3)凝固過(guò)程中，較大流速的熔體流場(chǎng)作用下，有 利于獲得穩(wěn)定的納米析出相，減少和避免合金組織中粗大析出相的形成。
—種在鋼液中形成納米Ti203顆粒的制備方法，首先是制備含納米析出相元素Ti、 0的鋼合金熔體，其特征是在含0濃度為5 lOOPPm的鋼液中加入0O.5 3mm的Fe (1 15) wt. % Ti合金絲，然后以較快的冷卻速度凝固(大于500K/min)。凝固過(guò)程中，熔 體中含有高于基體合金熔點(diǎn)的析出相Ti203的元素Ti、 0，隨著溫度下降Ti、 0溶解度下降， 形成納米Ti203析出相的鑄造合金。 合金化學(xué)成份(質(zhì)量百分比)0. 01 0. 25wt. % C、0 0. 55wt. % Si，O. 2
lwt. % Mn、0 0. 04wt. % P、0 0. 05wt. % S、0 5wt. % Cr、0 5wt. % Ni、0 lwt. %
Mo、0. 01 lwt. % Ti、0. 0005 0. Olwt. % (相當(dāng)于5 lOOPPm) 0、余量Fe。 本發(fā)明的工藝過(guò)程 1)合金在大氣氣氛下熔煉； 2)鋼全部熔化后，再過(guò)熱50 10(TC，待液面穩(wěn)定后，經(jīng)測(cè)量鋼液中氧含量達(dá)0 lOOPPm后，以Fe-Ti合金絲的形式加入Ti，經(jīng)測(cè)算Ti加入量應(yīng)為0. 01 lwt. % Ti ;
3)待Fe-Ti合金溶解，保溫5_20min后鑄造； 4)采用離心澆注、或在電磁攪拌情況下進(jìn)行澆鑄，在澆注凝固過(guò)程中金屬液流動(dòng) 的線速度不低于1. 7/s ; 5)控制凝固過(guò)程中的冷卻速度不低于500°C /min ;
6)對(duì)凝固合金的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是 獲得納米Ti203顆粒彌散強(qiáng)化的凝固鋼合金組織，有利于在保持合金塑性和韌性 基本不變的前提下，提高合金的強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，鋼全部熔化后，再過(guò)熱ieo(TC ，合金鋼的化學(xué)成分和
質(zhì)量百分比為:C為0. 08%，Si為0. 36%，Mn為0. 9%，P為0. 0078%，S為0. 0004%，余量 為Fe ;待合金液面穩(wěn)定后，經(jīng)測(cè)量鋼液中氧含量達(dá)lOPPm，選取Ti含量以質(zhì)量百分比計(jì)為 5%的Fe-Ti合金絲，用喂絲機(jī)將直徑為3mm的Fe-Al合金絲加入到鋼液中使鋼液中Ti的質(zhì) 量百分比達(dá)到O. 06%。待Fe-Ti合金溶解后，在1580 1600。C下保溫l_2min后10_15min 后開(kāi)始澆注。采用內(nèi)涂陶瓷涂料的鑄鐵鋼錠模鑄、離心澆注，離心轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/min，金屬 液流流動(dòng)線速度約為3m/s 8m/s ;在凝固過(guò)程中，在鑄鐵模具外表面噴水，確保鋼液由液
4態(tài)變成固態(tài)過(guò)程中的冷卻速度不低于50(TC /min。待冷卻到開(kāi)箱溫度，打開(kāi)金屬模，取出鑄 件，得到納米Ti203顆粒強(qiáng)化的凝固合金。應(yīng)用透射電鏡技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射顯微分析技術(shù)，對(duì)凝 固合金的顯微組織進(jìn)行質(zhì)量分析，可以發(fā)現(xiàn)大量10 200納米Ti203顆粒彌散分布在合金 基體上。 實(shí)施例2 在大氣氣氛下進(jìn)行熔煉，最高溫度可過(guò)熱到160(TC，鋼全部熔化后，再過(guò)熱50 IO(TC，合金鋼選的化學(xué)成分和質(zhì)量百分比為C :0. 01 %、 Si :0. 16%， Mn :0. 47%、 P : 0. 01%、S :0. 01%、Cr :0. 5%、Ni :0. 5%、Mo :0. 6X、余量Fe ;待合金液面穩(wěn)定后，經(jīng)測(cè)量鋼 液中氧含量達(dá)90PPm，選取Ti含量以質(zhì)量百分比計(jì)為10X的Fe-Ti合金絲，用喂絲機(jī)將直 徑為2mm的Fe-Ti合金絲加入到鋼液中使鋼液中Ti的質(zhì)量百分比達(dá)到0. 3% 。待Fe-Ti合 金溶解后，1570 159(TC下保溫10-15min后，應(yīng)用連鑄方法鑄造板坯，倒入結(jié)晶器內(nèi)鋼液 的溫度約155(TC，鋼液表面加有保護(hù)渣，凝固前沿金屬液加有電磁攪拌裝置，促使熔體的流 動(dòng)，流動(dòng)的線速度約10m/s 20m/s，連鑄凝固冷卻速度約500°C /min，連鑄板坯厚度70mm ; 得到納米11203顆粒強(qiáng)化的板坯。應(yīng)用透射電鏡技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射顯微分析技術(shù)，對(duì)板坯的顯微 組織進(jìn)行質(zhì)量分析，可以發(fā)現(xiàn)大量10 200納米Ti203顆粒彌散分布在合金基體上。
權(quán)利要求
一種在鋼液中形成納米Ti2O3顆粒的制備方法，其特征是在含氧濃度不超過(guò)100PPm的低碳鋼或低碳合金鋼的鋼液中，加入Fe-1～15wt.％Ti合金絲，獲得含O、Ti的鋼液，并且澆鑄過(guò)程中，熔體形成流動(dòng)，熔體以不低于1.7m/s線速度流動(dòng)充型；在凝固過(guò)程中不低于500K/min的冷卻速度由液態(tài)變成固態(tài)，形成納米Ti2O3顆粒彌散強(qiáng)化的鋼合金。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種在鋼液中形成納米Ti203顆粒的制備方法，其特征是低碳 鋼或低碳合金鋼化學(xué)成份為0. 01 0. 25wt. % C、0 0. 55wt. % Si，O. 2 lwt. % Mn、 0 0. 04wt. % P、0 0. 05wt. % S、0 5wt. % Cr、0 5wt. % Ni、0 lwt. % Mo、0. 01 lwt. % Ti、0. 0005 0. Olwt. % 0、余量Fe。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋼鐵材料領(lǐng)域，涉及一種在鋼液中形成納米Ti2O3顆粒的制備方法。其特征是在含氧濃度不超過(guò)100PPm的低碳鋼或低碳合金鋼的鋼液中，加入Fe-Ti合金絲，獲得含O、Ti的鋼液，由于含有高于基體合金熔點(diǎn)的析出相Ti2O3的合金元素Ti、O，隨著溫度下降Ti、O溶解度下降以及較快的冷卻速度形成的較大過(guò)冷度，同時(shí)凝固過(guò)程中使熔體形成較大的流動(dòng)線速度，獲得納米Ti2O3彌散析出強(qiáng)化的凝固合金。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是可以直接在凝固合金中形成納米Ti2O3彌散相，有利于在保持合金塑性和韌性基本不變的前提下，提高合金的強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C22C38/60GK101774012SQ20101003418
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者張建偉, 林國(guó)標(biāo), 王自東 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)