一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法，包括如下步驟：S100：將待熔煉的材料放置在熔煉容器中，然后將所述熔煉容器置于磁懸浮爐中進行熔煉處理得到鋼液，所述熔煉處理中所述磁懸浮爐的溫度為1500℃以上，熔煉時間大于等于0.5分鐘；其中所述待熔煉的材料中含有大顆粒夾雜物，并且所述待熔煉的材料中含有鈦；S200：對所述鋼液進行冷卻即可得到納米顆粒彌散強化鋼。本發(fā)明實現(xiàn)了使用冶煉方法得到納米量級（10nm）顆粒彌散強化的超級鋼，為氧化物彌散強化鋼(ODS)的工業(yè)規(guī)模量產(chǎn)提供了一種新的可行工藝，可大大提高ODS鋼的生產(chǎn)效率，降低ODS鋼的生產(chǎn)成本。
【專利說明】一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別是涉及一種采用納米級氧化物析出顆粒彌散分布 在鋼的基體上，從而強化鋼的冶煉方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼中夾雜物的類型、形態(tài)、尺寸和分布等對鋼材的性能有重要的影響，其主要以非 金屬化合態(tài)存在。鋼中的非金屬夾雜物作為鋼材內(nèi)部的亞微觀缺陷，當(dāng)其尺寸較大或形貌 不規(guī)則時，容易誘發(fā)應(yīng)力集中或位錯塞積，從而導(dǎo)致鋼材在熱加工或冷變形時產(chǎn)生力學(xué)不 均勻性，容易疲勞或降低強度和軔性。對多數(shù)鋼種而言，尺寸50 μ m以上的大型夾雜物對鋼 的性能才有影響，1微米量級及其以下的小夾雜物在凝固和乳制過程中可作為硫化物、碳化 物和氮化物的異質(zhì)形核核心，通過控制夾雜物的大小、形態(tài)、數(shù)量、成分和分布，可以提高鋼 材的性能。
[0003] 鋁鎮(zhèn)靜鋼在連鑄時，高熔點的A1203夾雜物易粘在中間包的水口上影響澆鑄；大而 集中的夾雜物對鋼的性能很有害，而分布彌散和細(xì)小顆粒的夾雜物，不僅可以減少對鋼性 能的損害，同時還能有效改善鋼的性能。例如在室溫下，A1 203顆粒大于1 li m時，鋼的屈服 強度和抗拉強度降低,但當(dāng)夾雜物顆粒小于0. 3 μ m時，屈服強度和抗拉強度都將提高。 [0004] 鈣處理目前被廣泛采用來對鋼中氧化物夾雜進行改性，其對改性鋼中A1203夾雜， 改善鋼材性能有一定程度的作用，但同時也面臨著一些困難。例如，鈣的蒸汽壓很高，在鋼 液中的溶解度很??；鈣基合金改性鋁的氧化物夾雜，其獲得的改性產(chǎn)物不易去除，當(dāng)在夾雜 物顆粒的外圍形成液相時，阻礙了變性反應(yīng)的進行，同時改性得到的產(chǎn)物CaO ·Α1203不易變 形，在高級別硬線冷拉或軋制過程中會形成微裂紋，導(dǎo)致鋼的性能惡化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于上述不足，本發(fā)明提供了一種新的納米顆粒彌散強化的純凈鋼的冶煉方法。 該方法不僅能對鋼進行夾雜物改性，而且還能在理論上完全去除大顆粒夾雜，保留少量小 顆粒氧化物顆粒，小顆粒氧化物尺寸可以控制在10納米及其以下量級，成為鋼中強化相， 有利于提高鋼鐵材料力學(xué)性能。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法，包括如下步驟： S100:將待熔煉的材料放置在熔煉容器中，然后將所述熔煉容器置于磁懸浮爐中進行 熔煉處理得到鋼液，所述熔煉處理中所述磁懸浮爐的溫度為l5〇(TC以上，熔煉時間大于等 于〇· 5分鐘；其中所述待熔煉的材料中含有大顆粒夾雜物，并且所述待熔煉的材料中含有 欽； S2〇0 :對所述鋼液進行冷卻即可得到納米顆粒彌散強化鋼，冷卻速率包括在1攝氏度 每分鐘以上的快速冷卻。
[0007]其中，所述待熔煉的材料為鋼樣，所述鋼樣中含有鈦和鐵。
[0008] 其中，所述待熔煉的材料為原始鋼樣和鈦的混合物，所述原始鋼樣中含有鐵。
[0009]其中，所述待熔煉的材料中所述鈦的質(zhì)量百分含量大于等于0. 1%。
[0010]其中，所述待熔煉的材料中的鈦為純金屬鈦和鈦合金中的任意一種或二者的混合 物。
[0011]其中，所述待熔煉的材料中還包括脫氧劑，所述脫氧劑為堿土金屬、鋁、鈦中的一 種或其合金混合相應(yīng)的氧化物。
[0012] 其中，步驟S100中的所述熔煉處理在惰性氣體的保護下或真空中進行。
[0013]其中，所述磁懸浮爐的磁懸浮力能夠使得所述鋼液中的大顆粒夾雜物在磁場和鋼 液浮力之下上浮； 步驟S200中還包括對所述磁懸浮爐的感應(yīng)電流進行調(diào)節(jié)的步驟。
[0014] 其中，步驟S200中的冷卻包括冷卻速率在1攝氏度每分鐘以上的快速冷卻； 其中，步驟S200之后還包括儲存步驟S300 : S300 :將所述納米顆粒彌散強化鋼置于真空或者惰性氣體保護下儲存。
[0015] 其中，步驟S3〇0中所述納米顆粒彌散強化鋼的儲存溫度為小于100Γ。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是： 1.本發(fā)明實現(xiàn)了使用冶煉方法得到納米量級（10 nm)顆粒彌散強化的超級鋼，為氧化 物彌散強化（Oxide dispersion strengthen (0DS))鋼的工業(yè)規(guī)模量產(chǎn)提供了一種新的可 行工藝，可大大提高0DS鋼的生產(chǎn)效率，降低〇DS鋼的生產(chǎn)成本。
[0017] 2.本發(fā)明可有效控制成本，通過使用磁懸浮爐添加鈦及其合金熔煉，可以大大減 少鋼中ai 2o3等相關(guān)氧化物夾雜的數(shù)量；并對鋼的形貌進行改性。在大顆粒夾雜去除的同 時，形成了大量納米級彌散分布的氧化物顆粒，尺寸可達10納米量級；細(xì)化了鋼材的組織， 改善了鋼材的力學(xué)性能。
[0018] 3.本發(fā)采用了磁懸浮爐進行熔煉，具有快速高效的特點，熔煉過程中鋼液呈懸浮 狀態(tài)，避免了坩堝壁可能引起的對鋼液的污染。鋼液在熔煉過程伴隨著強烈的旋轉(zhuǎn)與攪拌， 更容易促進鋼中夾雜物的上浮去除。
[0019] 4.本發(fā)明的熔煉速率快，系統(tǒng)簡單，安全性高，可操作性強。
[0020]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為對比例一的SEM形貌圖； 圖2為對比例二的SEM形貌圖； 圖3為對比例三的SEM形貌圖 圖4為采用本發(fā)明的納米顆粒彌散強化的純凈鋼的冶煉方法的一實施例的SHM形貌 圖。
[0022] 圖5為電解采用本發(fā)明的納米顆粒彌散強化的純凈鋼的冶煉方法的一實施例的 --Μ形貌圖。
[0023] 圖6-圖7為使用純鐵熔煉的夾雜物EDS圖譜。
[0024] 圖8-圖9為采用本發(fā)明的納米顆粒彌散強化的純凈鋼的冶煉方法的一實施例的 EDS圖譜。
[0025]

【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合實施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下， 本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0027] 本發(fā)明提供了一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法，包括如下步驟： S100 :將待熔煉的材料放置在熔煉容器中，然后將所述熔煉容器置于磁懸浮爐中進行 熔煉得到鋼液，熔煉過程中所述磁懸浮爐的溫度為1500°c以上，熔煉時間大于等于1分鐘， 較優(yōu)的熔煉時間為Γιο分鐘。其中所述待熔煉的材料中含有大顆粒夾雜物，并且所述待熔 煉的材料中含有鈦。本步驟中磁懸浮爐的溫度應(yīng)當(dāng)足以使該原始鋼樣熔化形成鋼液。應(yīng)當(dāng) 說明的是，本實施例中的納米顆粒彌散是指將鋼中含有的微米級的大顆粒夾雜物去除或彌 散，使納米級的顆粒保留，在后續(xù)冷卻過程也并不聚集長大，成為鋼中的納米級強化相。本 步驟中磁懸浮爐的磁懸浮力應(yīng)當(dāng)足夠大從而使得所述鋼液中的大顆粒夾雜物在磁場和鋼 液浮力之下上浮。本步驟中的大顆粒夾雜物是指大于1微米量級的夾雜物。其中夾雜物成 分視加入的脫氧劑和鈦的量和比例而定，可能是一種氧化物，也可以是數(shù)種氧化物的共晶 產(chǎn)物。
[0028] S200 :熔煉完成后對所述鋼液進行冷卻即可得到納米顆粒彌散強化鋼，冷過過程 中的冷卻速率大于等于1°C /min。需要說明的是，冷卻可以為空冷，也可以為在液體中淬火 冷卻。進一步的，冷卻過程可以在惰性氣體的保護下進行，一種冷卻方式是將鋼液放置在惰 性氣體保護下冷卻至不再發(fā)紅后再進行水冷。
[0029] S3〇0 :將所述納米顆粒彌散強化鋼置于真空或者惰性氣體保護下儲存。本步驟中 的儲存溫度為2〇°C-5〇°C。本步驟中的真空是指氧氣含量小于0. 1 Pa。
[0030] 本實施例采用了磁懸浮爐同時添加鈦對鋼進行夾雜物改性，該熔煉方法能夠去除 大顆粒保留痕跡量的小顆粒，有效減少鋼中微米、亞微米級夾雜物的數(shù)量、尺寸、分布，得到 納米級彌散分布的復(fù)合氧化顆粒，而納米級彌散分布的復(fù)合氧化顆粒能夠作為鋼中強化 相，能夠提高鋼材的各項力學(xué)性能。
[0031] 其中，所述待熔煉的材料為鋼樣，所述鋼樣中含有鈦和鐵。即放入熔煉容器例如坩 堝中的材料可以是事先采用鐵粉、A1203和鈦混合均勻后壓制而成的鋼樣。
[0032]作為另一種實施方式，所述待熔煉的材料為原始鋼樣和鈦的混合物，所述原始鋼 樣中含有鐵。本實施例中的原始鋼樣為鐵粉和A1203混合均勻后壓制而成的鋼樣，也就是說 已經(jīng)成型的鋼樣。因此，本發(fā)明的方法既可以適用于鋼樣的熔煉過程，也可以用于對鋼樣的 進一步處理。
[0033]步驟S100中的待熔煉的材料中的鈦可以是純金屬鈦或鈦合金或者二者的混合 物，只要保證待熔煉的材料中的鈦含量大于等于0. 1%即可。當(dāng)采用鈦合金時，優(yōu)選含鈦量 為1%以上的鈦合金。
[0034] 較佳的，作為另一種可實施方式，所述待熔煉的材料中還包括脫氧劑，所述脫氧劑 為堿土金屬、鋁、鈦中的一種或其合金混合相應(yīng)的氧化物。脫氧劑的含量可以為任意。所述 脫氧劑最好鋁（A1)或者鋁（A1)和氧化鋁（A1 203)的混合物。其中鋁(A1)和氧化鋁（A1203)的 混合物中鋁和氧化鋁的比值可以是任意比值。較佳的，鋁占原始鋼樣的質(zhì)量比為0. l~15g/ kg，氧化鋁占原始鋼樣的質(zhì)量比為0. i?i5g/kg。
[0035]較佳的，作為一種可實施方式，所述溶煉過程在惰性氣體的保護下或在真空中進 行。本實施例中可以在磁懸浮爐中通入惰性氣體或者將磁懸浮爐抽成真空狀態(tài)。這樣可以 避免鋼液吸收空氣中的氧，形成更多的氧化物夾雜。其中所述惰性氣體為氬氣、氦氣、氖氣 或氣氣。
[0036] 其中，所述冷卻過程具體為將所述鋼液在所述磁懸浮爐中冷卻至沒有紅熱后再取 出進行水冷。較優(yōu)的，在磁懸浮爐中發(fā)生的冷卻過程也在惰性氣體的保護下進行。
[0037] 較佳的，作為一種可實施方式，所述磁懸浮爐的磁懸浮力能夠使得所述鋼液中的 大顆粒夾雜物在磁場和鋼液浮力之下上浮。即本步驟中使用的磁懸浮爐的磁懸浮力應(yīng)當(dāng)足 夠大從而使得所述鋼液中的大顆粒夾雜物在磁場和鋼液浮力之下上浮。本步驟中的大顆粒 夾雜物是指大于1微米的夾雜物。
[0038] 進一步的，步驟S200中還包括對所述磁懸浮爐的感應(yīng)電流進行調(diào)節(jié)的步驟。通過 調(diào)節(jié)磁懸浮爐中的感應(yīng)電流可以增強鋼液的攪拌，鋼液在坩堝內(nèi)劇烈翻轉(zhuǎn)，減小了鋼中夾 雜物的尺寸，進一步促進了鋼中夾雜物的上浮去除。
[0039] 以下以A1203夾雜物為例對本發(fā)明進一步說明。
[0040] 比較例1 比較例1為單獨熔煉純鐵來探究夾雜物尺寸、形貌的實驗。
[0041] 具體操作步驟如下： S100:將純鐵粉壓塊得到原始鋼樣。本步驟中的純鐵粉采用霧化鐵粉，成分按重量百分 比計為，F(xiàn)e含量達99%以上。
[0042] S200:將原始鋼樣放置在坩堝中，將坩堝置于磁懸浮爐中進行熔煉得到鋼液，熔煉 過程中所述磁懸浮爐的溫度為1500°C以上，熔煉時間為4分鐘。熔煉在氬氣氣氛下進行。 [0043] S300 :溶煉完成后對所述鋼液進行冷卻得到第一鋼樣，冷過過程中的冷卻速率為 l〇C /min〇
[0044] 將熔煉得到的第一鋼樣經(jīng)線切割成方形的小塊，拋光腐蝕后在掃描電鏡下觀察樣 品夾雜物尺寸、形貌及分布情況。比較例1的拋光面夾雜物SHW圖如圖1所示，從圖1中可 以看出，鋼中存在較多球形夾雜，夾雜物尺寸在1-3 μ m之間。由于試樣中未加入脫氧劑進 行脫氧，所以鋼中的夾雜物主要以鐵的氧化物形式存在，這些鐵的氧化物將會降低鋼材的 疲勞強度和沖擊韌性。
[0045] 比較例2 比較例2為向純鐵粉中添加常用脫氧劑A1及典型夾雜物A1203熔煉的實驗。其中A1 和A1203使用分析純試劑。
[0046] 具體操作步驟如下： S100 :將Al、A1203和純鐵粉研磨均勻后，再壓塊得到原始鋼樣。本步驟中的純鐵粉采 用霧化鐵粉，成分按重量百分比計為，F(xiàn)e含量達99%以上。其中A1的質(zhì)量百分含量為3%， ΑΙΑ的質(zhì)量百分含量為3%。
[0047] S200:將原始鋼樣放置在坩堝中，將坩堝置于磁懸浮爐中進行熔煉得到鋼液，熔煉 過程中所述磁懸浮爐的溫度為1500Γ以上，熔煉時間為4分鐘。熔煉在氬氣氣氛下進行。
[0048] S300 :熔煉完成后對所述鋼液進行冷卻得到第二鋼樣，冷過過程中的冷卻速率為 1°C /min。
[0049] 熔煉得到的第二鋼樣經(jīng)線切割成方形的小塊，拋光腐蝕后在掃描電鏡下觀察樣品 夾雜物尺寸、形貌及分布情況。比較例2的拋光面夾雜物SEM圖如圖2所示，從圖2中可 以看出，由于向試樣中加入了定量的A1 203,鋼中存在大量的球形夾雜，這些夾雜物的主要為 Al2〇3顆粒，尺寸在〇. 5-2. 5 μ m之間。由于高熔點的A1203顆粒在鋼液中仍為固態(tài)，當(dāng)A120 3 尺寸大于1 μ m時，鋼材的屈服強度和抗拉強度受影響將會降低；當(dāng)A1203尺寸小于0· 3 μ tn 時，鋼材的屈服強度和抗拉強度反而會有所增強。
[0050] 比較例3 比較例3為向純鐵粉中添加鈦熔煉的實驗。
[0051] 具體操作步驟如下： S100:將純金屬鈦和純鐵粉研磨均勻后，再壓塊得到原始鋼樣。本步驟中的純鐵粉采用 霧化鐵粉，成分按重量百分比計為，F(xiàn)e含量達99%以上。其中純金屬鈦的質(zhì)量百分含量為 6%〇
[0052] S2〇0:將原始鋼樣放置在坩堝中，將坩堝置于磁懸浮爐中進行熔煉得到鋼液，熔煉 過程中所述磁懸浮爐的溫度為1500°C以上，熔煉時間為4分鐘。熔煉在氬氣氣氛下進行。
[0053] S3〇0 :熔煉完成后對所述鋼液進行冷卻得到第三鋼樣，冷過過程中的冷卻速率為 1°C /min。
[0054] 第三鋼樣的拋光面夾雜物SEM圖如圖3所示，從圖3中可以看出，向試樣中加入脫 氧改性劑Ti-Fe，可以降低鋼中氧含量，得到細(xì)小彌散分布的氧化物顆粒。鋼中仍殘留了部 分夾雜物，尺寸在〇· 5-1 μ m之間。這些夾雜物的存在對鋼材的性能仍有一定程度上的影 響，并未達到我們所期望的純凈化且納米顆粒彌散強化的結(jié)果。
[0055] 實施例1 實施例1為向純鐵粉中添加脫氧改性劑Ti，脫氧劑A1及典型夾雜物A1203熔煉的實驗。
[0056] 具體操作步驟如下： S100 :將Al、Al2〇3、鈦鐵粉和純鐵粉研磨均勻后，再壓塊得到原始鋼樣。本步驟中的純 鐵粉采用霧化鐵粉，成分按重量百分比計為，F(xiàn)e含量達99%以上。其中鈦鐵粉的質(zhì)量百分 含量為5%，本實施例中A1的質(zhì)量百分含量為3%，A1 203的質(zhì)量百分含量為3%。
[0057] S200:將原始鋼樣放置在坩堝中，將坩堝置于磁懸浮爐中進行熔煉得到鋼液，熔煉 過程中所述磁懸浮爐的溫度為l5〇0°C以上，熔煉時間為4分鐘。熔煉在氬氣氣氛下進行。 [0058] S3〇0 :熔煉完成后對所述鋼液進行冷卻得到第四鋼樣，冷過過程中的冷卻速率為 l〇C /min〇
[0059] 拋光面夾雜物Sal圖如圖4所示，從圖4中可以看出，對比圖2,試樣中夾雜物數(shù) 量明顯減少，在視場范圍內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)極少量的夾雜物顆粒。這些夾雜主要為Ti-Al-0-Fe的 復(fù)合物，由于夾雜物數(shù)量較少，尺寸細(xì)小，所以它們對鋼材性能的影響可忽略不計。這個結(jié) 果表明了純凈化冶煉的可行性。同時由于掃描電鏡的局限性，試樣中可能存在納米級彌 散分布的夾雜物顆粒，但不能通過SEM圖片觀察到這些顆粒的形貌，所以通過電解法回收 鋼樣中的夾雜物制成透射電鏡（TEM)樣進行觀察。從圖5可以看出，鋼中確實存在納米夾 雜顆粒，大小在 5-40nm。對比（圖6-圖7)和（圖8_圖9)可以看出，這些納米顆粒主要為 Fe-0-S-Al-Ti的復(fù)合物。這些納米顆粒的存在，不僅不會降低鋼材的性能，反而對鋼材力學(xué) 性能的提高有極強的促進作用。因此，通過本實驗工藝，基本達到了純凈化冶煉的目的，同 時得到鋼中彌散分布的納米夾雜顆粒，大大提高了鋼材性能，并為通過冶煉法得到0此鋼 提供了一種有效的方法。
[0060] 表1 :SEM圖中加入Ti-Fe熔煉與不加 Ti-Fe熔煉的夾雜物數(shù)量及尺寸分布^況

【權(quán)利要求】
1. 一種納米顆粒彌散強化鋼的冶煉方法，其特征在于，包括如下步驟： S100 :將待熔煉的材料放置在熔煉容器中，然后將所述熔煉容器置于磁懸浮爐中進行 熔煉處理得到鋼液，所述熔煉處理中所述磁懸浮爐的溫度為1500°c以上，熔煉時間大于等 于〇. 5分鐘；其中所述待熔煉的材料中含有大顆粒夾雜物，并且所述待熔煉的材料中含有 鈦； S200 :對所述鋼液進行冷卻即可得到納米顆粒彌散強化鋼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述待熔煉的材料為鋼樣，所述鋼樣中含有鈦 和鐵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述待熔煉的材料為原始鋼樣和鈦的混合物， 所述原始鋼樣中含有鐵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述待熔煉的材料中所述鈦的質(zhì)量百分含量 大于等于〇. 1%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述待熔煉的材料中的鈦為純金屬鈦和鈦合 金中的任意一種或二者的混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述待熔煉的材料中還包括脫氧劑，所述脫氧 劑為堿土金屬、鋁、鈦中的一種或其合金混合相應(yīng)的氧化物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟S100中的所述熔煉處理在惰性氣體的保 護下或真空中進行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述磁懸浮爐的磁懸浮力能夠使得所述鋼液 中的大顆粒夾雜物在磁場和鋼液浮力之下上?。?步驟S200中還包括對所述磁懸浮爐的感應(yīng)電流進行調(diào)節(jié)的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟S200中的冷卻速率在1攝氏度每分鐘以 上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟S200之后還包括儲存步驟S300 : S300:將所述納米顆粒彌散強化鋼置于真空或者惰性氣體保護下儲存。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，步驟S300中所述納米顆粒彌散強化鋼的儲 存溫度為小于100 °C。
【文檔編號】C22C33/04GK104233042SQ201410473694
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】黃青松, 段康佳, 袁熙志 申請人:四川大學(xué)