一种在钢液中形成Ti₂O₃纳米颗粒的制备方法

专利名称：一种在钢液中形成Ti₂O₃纳米颗粒的制备方法
技术领域：
本发明属于钢铁材料领域，涉及一种在钢液中形成纳米Ti203颗粒的制备方法。
背景技术：
与纳米块状金属材料相比，纳米颗粒弥散强化金属材料可保持合金延伸率，同时 将合金的强度大幅度提高，且强化效果优于传统的钢铁工业上所使用的微米级和亚微米级 的第二相粒子弥散强化，纳米弥散相强化钢铁的研究成为近年来的热点。纳米强化不但可 大幅度提高结构钢的强度，还可以提高合金的高温蠕变性能。纳米强化技术对于汽车行业、 船舶行业、电力行业等广泛领域用钢具有重要的应用价值。 在钢铁中形成纳米强化，近年来报道的方法主要有MA/0DS或MA/CDS法、变形热 处理法。MA/ODS或MA/CDS法是将数种金属粉末在高能球磨机中混合，反复进行压合和破 碎，应用机械合金化等过程实现合金化和氧化物或碳化物颗粒的均匀弥散分布。该方法是 自上个世纪60年代首次推出，由于这种方法生产的材料具有很好的高温性能，目前仍是研 究的热点。利用MA/ODS或MA/CDS制备，普遍认为过程复杂、成本高。另一种方法是变形 热处理，变形包括热变形和冷变形，通过压力加工的变形处理在钢中形成了大量的位错和 空位，有利于后续的热处理过程中纳米弥散相的析出。对于含Ti钢通过后续的变形热处 理，可以获得Ti的氮化物、碳化物或碳氮化物弥散析出相，依据合金成分和变形热处理工 艺不同，析出相种类有差别，平均颗粒大小也不同，从10纳米到几百纳米不等。例如成份 (wt. % )为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的钢通过将钢以1.5-2°C /s的加热速率在真空炉中加热到1200°C， 然后经过87(TC _9701:变形加工，最后空冷到室温，可以形成几纳米到500纳米钛的碳 化物禾口氮化物[R D K Misra， H Nathani， J E Hartma皿，FSiciliano. 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饥C) strip steels. MaterialsCharacterization 56(2006)214-226]中指出成分为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的极低碳钢经过80%变形冷轧及退火后，形成了纳米级钛的 氮化物和碳化物。 目前应用合金熔炼的方法在钢中获得的含Ti纳米级强化相主要是氮化物或碳氮 化物，一般需对凝固合金进行变形热处理才能获得；而直接通过合金熔炼凝固办法，在钢铁 中获得纳米强化相Ti203颗粒还鲜见报道。

发明内容
本发明目的是在合金熔炼时加入纳米强化相Ti203的形成元素Ti、 O，在钢液中形 成稳定的纳米Ti203颗粒，在凝固后获得纳米颗粒Ti203弥散强化的钢合金。
发明人近些年来，对合金凝固过程中纳米相的析出，进行了深入的基础研究，部分 石开究结果见[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]。我们得到的初步结论是1)高熔点析出相原子溶解 在低熔点金属中形成的合金熔体，其溶解度随着温度降低而降低，在从浇注温度到凝固温 度，相对析出相的熔点，析出相获得了很大过冷度，形核半径极小，可以形成纳米级的析出 颗粒；2)熔体中的高熔点析出相原子浓度不能过高，避免纳米颗粒长大。这两条是获得纳 米11203颗粒弥散强化钢合金的理论基础；3)凝固过程中，较大流速的熔体流场作用下，有 利于获得稳定的纳米析出相，减少和避免合金组织中粗大析出相的形成。
—种在钢液中形成纳米Ti203颗粒的制备方法，首先是制备含纳米析出相元素Ti、 0的钢合金熔体，其特征是在含0浓度为5 lOOPPm的钢液中加入0O.5 3mm的Fe (1 15) wt. % Ti合金丝，然后以较快的冷却速度凝固(大于500K/min)。凝固过程中，熔 体中含有高于基体合金熔点的析出相Ti203的元素Ti、 0，随着温度下降Ti、 0溶解度下降， 形成纳米Ti203析出相的铸造合金。 合金化学成份(质量百分比)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. % (相当于5 lOOPPm) 0、余量Fe。 本发明的工艺过程 1)合金在大气气氛下熔炼； 2)钢全部熔化后，再过热50 10(TC，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达0 lOOPPm后，以Fe-Ti合金丝的形式加入Ti，经测算Ti加入量应为0. 01 lwt. % Ti ;
3)待Fe-Ti合金溶解，保温5_20min后铸造； 4)采用离心浇注、或在电磁搅拌情况下进行浇铸，在浇注凝固过程中金属液流动 的线速度不低于1. 7/s ; 5)控制凝固过程中的冷却速度不低于500°C /min ;
6)对凝固合金的微观组织结构进行分析。
本发明优点是 获得纳米Ti203颗粒弥散强化的凝固钢合金组织，有利于在保持合金塑性和韧性 基本不变的前提下，提高合金的强度。
具体实施方式

实施例1 在氩气保护气氛下进行熔炼，钢全部熔化后，再过热ieo(TC ，合金钢的化学成分和
质量百分比为:C为0. 08%，Si为0. 36%，Mn为0. 9%，P为0. 0078%，S为0. 0004%，余量 为Fe ;待合金液面稳定后，经测量钢液中氧含量达lOPPm，选取Ti含量以质量百分比计为 5%的Fe-Ti合金丝，用喂丝机将直径为3mm的Fe-Al合金丝加入到钢液中使钢液中Ti的质 量百分比达到O. 06%。待Fe-Ti合金溶解后，在1580 1600。C下保温l_2min后10_15min 后开始浇注。采用内涂陶瓷涂料的铸铁钢锭模铸、离心浇注，离心转速为250转/min，金属 液流流动线速度约为3m/s 8m/s ;在凝固过程中，在铸铁模具外表面喷水，确保钢液由液
4态变成固态过程中的冷却速度不低于50(TC /min。待冷却到开箱温度，打开金属模，取出铸 件，得到纳米Ti203颗粒强化的凝固合金。应用透射电镜技术和场发射显微分析技术，对凝 固合金的显微组织进行质量分析，可以发现大量10 200纳米Ti203颗粒弥散分布在合金 基体上。 实施例2 在大气气氛下进行熔炼，最高温度可过热到160(TC，钢全部熔化后，再过热50 IO(TC，合金钢选的化学成分和质量百分比为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 ;待合金液面稳定后，经测量钢 液中氧含量达90PPm，选取Ti含量以质量百分比计为10X的Fe-Ti合金丝，用喂丝机将直 径为2mm的Fe-Ti合金丝加入到钢液中使钢液中Ti的质量百分比达到0. 3% 。待Fe-Ti合 金溶解后，1570 159(TC下保温10-15min后，应用连铸方法铸造板坯，倒入结晶器内钢液 的温度约155(TC，钢液表面加有保护渣，凝固前沿金属液加有电磁搅拌装置，促使熔体的流 动，流动的线速度约10m/s 20m/s，连铸凝固冷却速度约500°C /min，连铸板坯厚度70mm ; 得到纳米11203颗粒强化的板坯。应用透射电镜技术和场发射显微分析技术，对板坯的显微 组织进行质量分析，可以发现大量10 200纳米Ti203颗粒弥散分布在合金基体上。
权利要求
一种在钢液中形成纳米Ti2O3颗粒的制备方法，其特征是在含氧浓度不超过100PPm的低碳钢或低碳合金钢的钢液中，加入Fe-1～15wt.％Ti合金丝，获得含O、Ti的钢液，并且浇铸过程中，熔体形成流动，熔体以不低于1.7m/s线速度流动充型；在凝固过程中不低于500K/min的冷却速度由液态变成固态，形成纳米Ti2O3颗粒弥散强化的钢合金。
2. 如权利要求1所述的一种在钢液中形成纳米Ti203颗粒的制备方法，其特征是低碳 钢或低碳合金钢化学成份为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
本发明属于钢铁材料领域，涉及一种在钢液中形成纳米Ti2O3颗粒的制备方法。其特征是在含氧浓度不超过100PPm的低碳钢或低碳合金钢的钢液中，加入Fe-Ti合金丝，获得含O、Ti的钢液，由于含有高于基体合金熔点的析出相Ti2O3的合金元素Ti、O，随着温度下降Ti、O溶解度下降以及较快的冷却速度形成的较大过冷度，同时凝固过程中使熔体形成较大的流动线速度，获得纳米Ti2O3弥散析出强化的凝固合金。本发明优点是可以直接在凝固合金中形成纳米Ti2O3弥散相，有利于在保持合金塑性和韧性基本不变的前提下，提高合金的强度。
文档编号C22C38/60GK101774012SQ20101003418
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者张建伟, 林国标, 王自东 申请人:北京科技大学