專利名稱：一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法
技術領域：
本發明涉及煉鋼及鋼鐵材料強韌化技術，具體地說，是提供了一種在煉鋼過程中 通過外加納米顆粒來提高鋼的強度和韌性的方法。
背景技術：
鋼鐵材料的強韌化是鋼鐵工業領域的重要課題，是鋼材減量化和長壽化使用，實 現節能降耗的重要途徑，是發展高性能鋼的必由之路。當前鋼的強韌化基本方法有以下幾 種高純化冶煉(通過各種精煉手段，盡可能降低有害元素含量，合理控制夾雜物狀態)，合 金化和微合金化(在鋼中形成細微析出相，與顯微缺陷作用形成強化)，晶粒細化和均勻化 (通過多道次軋制和控軋控冷實現)，薄板坯連鑄連軋鋼中納米析出相的綜合強韌化以及 熱處理強化等。雖然鋼的強韌化方法途徑很多，但這些強化方法的共同基礎是冶煉必須提 供較高潔凈度的鋼液。目前，通過精煉降低有害元素含量已達到了較高水平，即使如此，但 如果鋼中存在大顆粒夾雜物，仍然會對鋼材性能有極大破壞作用。因此，如何在煉鋼過程中 進行夾雜物的合理控制成為潔凈鋼生產和研究的關鍵問題之一。目前，對于夾雜物的塑性 化控制，在個別鋼種(如硬線鋼)中已有較為成熟的工藝方法，但是如何進行夾雜物的尺寸 細化控制仍沒有很好的方法，這成為當前發展高性能鋼鐵材料的瓶頸。
發明內容
針對上述存在的問題，借鑒納米科技的發展成果，本發明目的是提供一種在煉鋼 過程中，通過向鋼液中外加高熔點納米級顆粒的方法來增加鋼液中的固態質點，利用納米 粒子作為新生夾雜物和鋼液結晶的非均勻形核質點，以彌散細化夾雜物和鋼的晶粒，從而 提高鋼的強度和韌性的方法，即一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，屬于高溫物理 冶金的方法。本發明的技術方案是一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，在煉鋼過程中 加入納米添加劑顆粒。在煉鋼過程中加入納米添加劑顆粒步驟如下(1)將納米粉加入無水乙醇中進行超聲分散，待乙醇完全揮發；(2)將經過超聲分散的納米粉體與對鋼液無污染的輔料按質量比1 8-10進行配 料，通過球磨機球磨混合48小時以上；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機壓制成形為納米添加劑顆粒；(4)在出鋼過程脫氧劑加入之前，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，其通過成型機壓制成為方形或圓柱形的納米添加劑顆粒， 方形的邊長a范圍為IOmm彡a彡15mm，圓柱形直徑d和高h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計算，即質量百分比為0. 02%。納米添加劑顆粒可以在出鋼過程脫氧劑加入之前，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，其混合比例是任意的。與傳統的高純化冶煉及各種強韌化方法比較，本發明的工藝方法不改變現有煉鋼 生產工藝，不增加煉鋼設備，不污染鋼液和環境，不增加勞動強度等優點，特別是鋼的力學 性能有較大幅度的提高，如對55SiMnMo鋼，添加0. 02%納米Al2O3粒子后，鋼的屈服強度、 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力學性能比較
指標屈服強度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指標平均增量％17.860.093.8
具體實施例方式實施例一(1)首先，將納米Al2O3粉放入容器中，加入無水乙醇，然后放入超聲波清洗機中進 行超聲分散，分散完畢后待乙醇完全揮發；(2)將經過超聲分散的納米粉與對鋼液無污染的輔料(高純鐵粉)按質量比1 8 進行配料，然后采用球磨機長時間(》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壓制成方形的納米添加劑顆 粒，方形的邊長(用a表示)范圍IOmm彡a彡15mm ；(4)按每噸鋼液加入200g納米粉(即質量百分比為0.02%)計算，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)對鑄錠進行鍛壓加工，變形量為80%，空冷至室溫；(8)檢測試樣的屈服強度、延伸率和沖擊韌性，結果見表1。實施例二 (1)首先，將納米TiN粉放入容器中，加入無水乙醇，然后放入超聲波清洗機中進 行超聲分散，分散完畢后待乙醇完全揮發；(2)將經過超聲分散的納米粉與對鋼液無污染的輔料(高純鐵粉)按質量比
41 10進行配料，然后采用球磨機長時間(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(即質量百分比為0.02%)計算，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)對鑄錠進行鍛壓加工，變形量為80%，空冷至室溫；(8)檢測試樣的屈服強度、延伸率和沖擊韌性，結果見表2，屈服強度有較大幅度 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鋼機械性能比較
權利要求
一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，其特征是在煉鋼過程中加入納米添加劑顆粒。
2.根據權利要求1所述一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，其特征是在煉鋼 過程中加入納米添加劑顆粒步驟如下(1)將納米粉加入無水乙醇中進行超聲分散，待乙醇完全揮發；(2)將經過超聲分散的納米粉體與對鋼液無污染的輔料按質量比1 8-10進行配料， 通過球磨機球磨混合48小時以上；(3)將第(2)步混合均勻的混合粉體用粉末成型機壓制成形為納米添加劑顆粒；(4)在出鋼過程脫氧劑加入之前，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.根據權利要求2所述一種外加納米顆粒強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.根據權利要求2所述一種外加納米顆粒強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.根據權利要求2所述一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納米粉 分散在鐵粉中，其通過成型機壓制成為方形或圓柱形的納米添加劑顆粒，方形的邊長a范 圍為IOmm彡a彡15mm,圓柱形直徑d和高h范圍為IOmm彡d彡15mm, IOmm彡h彡15mm。
6.根據權利要求2所述一種外加納米顆粒強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計算，即質量百分比為0. 02%。
7.根據權利要求2或6所述一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，其特征是納 米添加劑顆粒可以在出鋼過程脫氧劑加入之前，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 結晶器或模鑄的中注管中加入。
8.根據權利要求3所述一種外加納米顆粒強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，其混合比例是任意的。全文摘要
本發明是一種外加納米顆粒強韌化鋼鐵材料的方法，涉及煉鋼及鋼鐵材料強韌化技術領域。通過超聲分散、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。由于采用預分散的方法制成納米添加劑顆粒，所以可以實現納米顆粒加入鋼液中后達到高度彌散化、均勻化，從而可作為夾雜物形核和鋼液凝固結晶的形核核心，彌散細化夾雜物、細化鋼的晶粒，達到提高鋼材強韌性的目的。本發明還可以用于除鋼鐵材料以外的其他金屬或合金結構材料的強韌化處理。
文檔編號B22D1/00GK101967534SQ20101028013
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月12日 優先權日2010年9月12日
發明者方克明, 王國承 申請人:江西理工大學