專利名稱：一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于易切削合金鋼鉍合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑的制備方法，具體以純鉍與低碳錳鐵中間合金為原料，在箱式電爐中于不同的溫度下熔煉成鉍錳鐵固液混合體后澆入金屬型中，實現合金的亞快速凝固，以獲得適用于易切削鋼合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑，采用該制備方法得到的鉍錳鐵合金添加到鋼液時鉍的收得率較高，屬于合金生產技術。
背景技術：
金屬鉍呈銀白色，有強烈的金屬光澤，性脆，屬于斜方晶系，我國鉍的儲量居世界第一位，約占全球儲量的73%，由于鉍無毒，且與鉛的低熔點、高柔軟性等許多方面的性能相近，因此可以廣泛作為鉛的替代品，將鉍加在鑄鐵、鋼和鋁合金中用以改善其切削性能，目前含鉍易切削鋼已經成為現代制造業(yè)所迫切需要的一種原材料。由于鉍的熔點低(271. 3°C)，給鉍易切削鋼的合金化處理造成了很大的困難，因此，用金屬鉍作為易切削鋼的處理添加劑幾乎是不可能的，盡管已經有鉍錳合金，但由于鉍錳合金的熔點低(僅為446°C )，因此用它作為合金添加劑時，事實上仍然很困難，而中國專利檢索和文獻查詢結果表明，合金化處理可行、用于易切削鋼合金化處理的收得率較高的鉍合金添加劑除了發(fā)明專利《鉍錳鐵合金》以外，尚未有見其它報道，但是，專利《鉍錳鐵合金》中描述的合金制備方法仍存在一些不足，比如是采用兩步法制備鉍錳鐵合金，由于錳和鐵的熔點較高，因此在每一步熔煉過程中都必須加熱到1300°C 1500°C的高溫，這樣既浪費能源又增加鉍元素的燒損，因此尋找一種熔煉溫度更低的鉍錳鐵的制備工藝具有實際應用價值，也是現代冶金工業(yè)飛速發(fā)展的期盼，對于促進我國易切削鋼的綠色環(huán)保生產、減少產品生產成本、提高產品質量和科技含量、增強我國易切削鋼的產品質量和國際競爭能力具有深遠的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提出一種高溫熔煉和金屬型鑄造方法，制備易切削鋼鉍合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑，使該合金適用于易切削鋼的鉍合金化處理、且鉍收得率較高。本發(fā)明的技術方案之一是，所述的一種秘猛鐵合金的制備中，其組分和各組分的原子百分含量是鉍，40 49%，錳，39 48%，鐵，8 9%，碳，0 2%，不可避免的雜質，0 1%，轉化為質量百分含量是鉍，72. 3 80%，錳，17^23. 3%,鐵，3 4. 4%，碳，(H). 2%，其它不可避免的雜質，(TO. 1%。本發(fā)明的的一種典型的技術方案是所述的一種鉍錳鐵合金其組分和各組分的原子百分含量是鉍，40 45%，錳，44 48%，鐵，8 9%，碳，0 2%，不可避免的雜質，(Tl% ;轉化為質量百分含量是鉍，72. 3 76%，錳，20 23. 3%，鐵，3. 7 4. 4%，碳，(H). 2%，其它不可避免的雜質，0 0. 1%。上述技術方案得到的鉍錳鐵合金由于含鉍質量百分含量高于70%，其比重>鐵的比重，因而采用本發(fā)明作爐前合金化處理，是可行的，也是很方便的，由于鉍錳鐵合金的熔點較高，因此鉍的收得率高，從而實現了本發(fā)明的目的。本發(fā)明的技術方案之二是，一種易切削鋼鉍合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑的制備方法
A、將低碳錳鐵中間合金放于剛玉坩堝底部，純鉍放于上部，在其表面加鹽類覆蓋劑覆蓋以防氧化，將剛玉坩堝置于箱式爐中；
B、將箱式爐升溫至1100°C 1300°C，開始熔煉，熔煉保溫時間控制在lh，熔煉過程中鉍錳鐵合金呈固液混合熔融狀態(tài)，保溫過程中通過2 3次攪拌使固-液混合熔體均勻，每次攪拌后均在熔體表面加鹽類覆蓋劑覆蓋，最后一次攪拌后靜置在爐內3飛分鐘出爐；
C、將熔煉后的熔體取出箱式爐快速澆入金屬型，實現亞快速凝固，制備成鉍錳鐵中間合金塊，根據需要可破碎成0. 5^10毫米的顆粒狀合金。所述A及B步驟中的鹽類覆蓋劑為經過脫水處理的質量分數分別為50%的KCl和50%的NaCl均勻混合粉末，用于防止熔體氧化，減少合金元素的燒損和凈化熔體。所述A步驟中的純鉍及錳鐵中間合金均為塊狀，錳鐵中間合金為低碳錳鐵合金，含Mn的質量百分比為83 84wt. %。 所述的一種鉍錳鐵合金的制備方法，其特征在于所述鉍錳鐵合金呈塊狀，其厚度為15 25mm ;或者呈粒狀，其粒徑在0. 5 10mm范圍內；所述不可避免的雜質，主要是指硫、磷和硅,其中硫和磷的質量百分含量均< 0. 1%。所述A及B步驟中所用的混合鹽類覆蓋劑為分析純化學試劑KCl和NaCl的均勻混合物，使用前將其在300°C下烘烤5小時去除結晶水，然后按質量比I: I均勻混合，保存于100°C恒溫干燥箱中以備使用。將錳鐵中間合金放于坩堝底部，純鉍放于上部的目的是為了使鉍錳鐵中間合金熔體盡量均勻混合，因為鉍的比重比錳鐵合金大很多，讓比重大的純鉍放在上面時，首先熔化的純鉍將逐漸滲入錳鐵中間合金塊體之間，并與之反應生成鉍錳化合物，在熔煉溫度保溫過程中進行適當攪拌是為了使未熔的錳鐵合金能盡量溶入或使其均勻分布在合金液中，攪拌后加鹽類覆蓋劑覆蓋能起到減少熔體氧化、減少合金元素的燒損和凈化熔體的作用；隨熔煉時間越長，鉍元素的燒損也將加大，因此熔煉時間不能太長，一般控制為Ih ;此外，由于純錳、純鐵和錳鐵合金的熔點較高，為減少鉍元素的燒損，鉍錳鐵合金的熔煉溫度控制在稍低于錳鐵合金的熔點即控制在1100°c 1300°C范圍內，此時為固-液混合狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點是制備得到的鉍錳鐵合金中，鉍元素能充分和錳反應生成BiMn相，剩余的錳鐵相彌散分布于純鉍和BiMn相之間，起到提高合金熔點的作用，本發(fā)明制備的鉍錳鐵合金，具有在易切削鋼的鉍合金化處理過程中鉍收得率較高的特點，適用于作為易切削鋼合金化處理的添加劑。


圖1、2、3分別表示所述原子百分比只含鉍和錳元素時為Bi:Mn=50:50，若把三元素進行原子百分含量的比較是Bi:Mn:Fe=45. 7:45.7:8.6的所配成分在1100。。、1200。。、1300°C熔煉后經過金屬型鑄造后得到的鉍錳鐵合金的SEM照片；所述成分配比轉化為三種元素的重量百分含量的比較是Bi : Mn: Fe=76. 20:19. 75:4.01,若轉化為稱量物的重量百分含量的比較是純鉍錳鐵合金=76. 2:23. 8。圖4、5、6分別表示所述原子百分比只含鉍和錳元素時為Bi:Mn=45:55，若把三元素進行原子百分含量的比較是Bi :Mn:Fe=40. 8:49. 9:9. 3的所配成分在1100°C、1200°C、1300°C熔煉后經過金屬型鑄造后得到的鉍錳鐵合金的SEM照片；所述成分配比轉化為三種元素的重量百分含量的比較是Bi:Mn:Fe=72. 30:23. 00:4. 65，若轉化為稱量物的重量百分含量的比較是純鉍錳鐵合金=72. 3:27. 7。
具體實施例方式實施例一設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為76. 2wt.%，低碳錳鐵合金為23. 8wt.%，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi: Mn: Fe: C(wt. %) =76. 20:19. 75:4.01:0. 04 ;按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1100°C箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為20毫米的塊狀鉍錳鐵合金；如圖I所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，其中的深灰色長條樹枝狀BiMn相分布于暗白色基底Bi中，但顯得有些稀疏，暗白色基底Bi相的面積比BiMn相大，黑色
的Mn (Fe)相較多，較為雜亂地分布于樹枝狀BiMn相之間，其中可見許多輪廓清晰的環(huán)繞在Mn(Fe)相和BiMn相外的黑條小圈。實施例二設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為76. 2wt.%，低碳錳鐵合金為23. 8wt.%，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi: Mn: Fe: C(wt. %) =76. 20:19. 75:4.01:0. 04 ;按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1200°C箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為18毫米的塊狀鉍錳鐵合金；圖2所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，深灰色長條樹枝狀BiMn相與實施例一相比，該相的數量更多、且其尺寸稍大，黑色的Mn(Fe)相數量與實施例一相比稍多，Mn(Fe)相和BiMn相外不再存在黑圈。實施例三設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為76. 2wt.%，低碳錳鐵合金為23. 8wt.%，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi: Mn: Fe: C(wt. %) =76. 20:19. 75:4. 01:0. 04按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1300°C箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為25毫米的塊狀鉍錳鐵合金；圖3所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，其中的深灰色的長條樹枝晶為BiMn相，與實施例二相比，該相的數量更為多且密，黑色Mn (Fe)相數量也較多，且比實施例二的要更為密集，黑色Mn (Fe)相和BiMn相外不再存在黑圈。實施例四設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為72. 3wt. %，低碳錳鐵合金為27. 7wt. %，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi : Mn: Fe: C(wt. %) =72. 30:23. 00:4. 65:0. 05 ；按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1100V箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為15毫米的塊狀鉍錳鐵合金；圖4所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，深灰色長條樹枝狀BiMn相比實施例一至例三的多，暗白色基底Bi相較少，黑色的初生Mn (Fe)相比實施例一的數量增加較多，且均勻分布在BiMn相內。實施例五設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為72. 3wt.%，低碳錳鐵合金為27. 7wt.%，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi: Mn: Fe: C(wt. %) =72. 30:23. 00:4. 65:0. 05 ;按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1200°C箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為20毫米的塊狀鉍錳鐵合金；圖5所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，深灰色長條樹枝狀BiMn相比實施例四的多，暗白色基底Bi相較少，黑色的Mn (Fe)相比實施例四的數量明顯增加，且均勻分布在BiMn相內。實施例六設置本實施方案中的鉍錳鐵合金各合金成分的配比純鉍為72. 3wt.%，低碳錳鐵合金為27. 7wt.%，即鉍錳鐵合金的化學成份是Bi: Mn: Fe: C(wt. %)= 72. 30:23. 00:4. 65:0. 05 ;按本發(fā)明的技術方案二的制備方法，將在1300°C箱式電爐中熔煉保溫Ih的鉍錳鐵合金固液混合物澆入金屬型內，得到厚度為20毫米的塊狀鉍錳鐵合金；圖6所示為該合金的顯微組織照片，可以看出，深灰色長條樹枝狀BiMn相比實施例五的多，暗白色基底Bi相進一步減少，黑色的Mn(Fe)相比實施例五的數量明顯增加，且 該相的顆粒尺寸較大并均勻分布在BiMn相內。
權利要求
1.一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于包括如下步驟 A、將低碳錳鐵中間合金放于剛玉坩堝底部，純鉍放于上部，在其表面加鹽類覆蓋劑覆蓋以防氧化，將剛玉坩堝置于箱式爐中； B、將箱式爐升溫至1100°C 1300°C，開始熔煉，熔煉保溫時間控制在lh，熔煉過程中鉍錳鐵合金呈固液混合熔融狀態(tài)，保溫過程中通過2 3次攪拌使固-液混合熔體均勻，每次攪拌后均在熔體表面加鹽類覆蓋劑覆蓋，最后一次攪拌后靜置在爐內3飛分鐘出爐； C、將熔煉后的熔體取出箱式爐快速澆入金屬型，實現亞快速凝固，制備成鉍錳鐵中間合金塊，根據需要可破碎成O. 5^10毫米的顆粒狀合金。
2.如權利要求I所述的一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于所述的鉍錳鐵合金，其組分和各組分的原子百分含量是鉍，40 49%，錳，39 48%，鐵，8 9%，碳，0 2%，不可避免的雜質，0 1%，轉化為質量百分含量是鉍，72. 3 80%，錳，17 23. 3%,鐵，3 4. 4%，碳，(Γ0. 2%，其它不可避免的雜質，(Γ0. 1%。
3.如權利要求2所述的一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于所述的鉍錳鐵合金，其組分和各組分的原子百分含量是鉍，40 45%，錳，44 48%，鐵，8、％，碳，0 2%，不可避免的雜質，(Tl% ;轉化為質量百分含量是鉍，72. 3 76%，錳，20 23. 3%，鐵，3. 7 4. 4%，碳，(Γ0. 2%，其它不可避免的雜質，(Γ0. 1%。
4.如權利要求I所述的一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于所述A及B步驟中的鹽類覆蓋劑為經過脫水處理的質量分數分別為50%的KCl和50%的NaCl均勻混合粉末，用于防止熔體氧化，減少合金元素的燒損和凈化熔體。
5.如權利要求I所述的一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于所述A步驟中的純鉍及錳鐵中間合金均為塊狀，錳鐵中間合金為低碳錳鐵合金，含Mn的質量百分比為83"84wt. %。
6.如權利要求2或3所述的一種鉍錳鐵合金的金屬型制備方法，其特征在于所述鉍錳鐵合金呈塊狀，其厚度為15 25mm ;或者呈粒狀，其粒徑在O. 5 IOmm范圍內；所述不可避免的雜質，主要是指硫、磷和硅，其中硫和磷的質量百分含量均< O. 1%。
7.所述的一種鉍錳鐵合金的制備方法，其特征在于所述A及B步驟中所用的混合鹽類覆蓋劑為分析純化學試劑KCl和NaCl的均勻混合物，使用前將其在300°C下烘烤5小時去除結晶水，然后按質量比1:1均勻混合，保存于100°C恒溫干燥箱中以備使用。
全文摘要
本發(fā)明屬于易切削合金鋼鉍合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑的制備方法，具體以純鉍與低碳錳鐵中間合金為原料，在箱式電爐中于不同的溫度下熔煉成鉍錳鐵固液混合體后澆入金屬型中，實現合金的亞快速凝固，以獲得適用于易切削鋼合金化處理的鉍錳鐵合金添加劑，采用該制備方法得到的鉍錳鐵合金添加到鋼液時鉍的收得率較高，屬于合金生產技術。
文檔編號C22C30/00GK102978501SQ201210475350
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者王建華, 李節(jié)林, 陳平, 蘇旭平, 陳洪 申請人:常州大學, 常州武帆合金有限公司