一种制备原位纳米颗粒强化q195钢的方法
【专利摘要】本发明属于钢铁材料领域，涉及一种制备原位纳米颗粒强化Q195的方法。其特征是在熔炼和浇注的过程中，加入Ф0.1—3mm的Fe—Ti合金丝，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金；铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s；熔体中含有高于基体合金熔点的析出相氧化钛的合金元素Ti、O，随着温度下降Ti、O溶解度下降，形成纳米氧化钛原位析出相的铸造合金，以此来增加钢的强度并不大幅损失其塑韧性，并通过后续控轧控冷进一步提升钢的性能。
【专利说明】一种制备原位纳米颗粒强化Q195钢的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢铁材料领域，涉及一种制备原位纳米颗粒强化Q195钢的方法。
【背景技术】
[0002]钢铁材料已经使用了上千年，但是长期以来，人们主要使用的是铁素体加珠光体钢，这种钢强度较低，钢中含碳量较高，组织类型比较简单。国内外大量研究表明，在这类钢中，即使加入了一定量合金元素，或采用了像应变诱导相变等使铁素体晶粒超细化技术，若要保证钢材强度、塑性、韧性、可加工性等综合性能，其实际可以使用的屈服强度最高也只能在500MPa左右。当需要更高强度级别的钢材时，传统的办法只能是使用回火马氏体调质钢，这类刚中需要加入较高的合金量以保证淬透性，造成钢种的成本大幅度增加，贵重合金资源的大量消耗，同时生产过程长，工艺设备投入增多，能耗明显加大。钢种经调质后虽然强度可达500— lOOOMPa，综合力学性能也可适当调整，但钢种的焊接性能较差。为了解决既要高强韧性和高可焊接性，又要满足节约资源，降低成本和节能环保等要求，迫切需要对钢种的基体组织本身进行改造，发展出新一代钢铁材料。
【发明内容】
[0003]本发明目的是在合金熔炼时加入纳米强化相的形成元素，在Q195钢液中制备稳定的原位析出的纳米颗粒，利用这些原位纳米析出相来增加钢的强度同时不大幅牺牲其塑韧性。以此为基础来发展出新一代钢铁材料。
[0004]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, Qiangsong Wang, I Shih and J J Xu.Fabricationof a nanocomposite from in situ iron nanoparticle reinforced copper alloy,Nanotechnology, 2009, 20:075605]。我们得到的初步结论是:I)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；3)在熔体的压力场和流场的作用下，避免了纳米颗粒长大，这样在凝固过程中即可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。前面两条为形成纳米析出相的合金成分设计提供了理论基础，后面一条为在钢液中或在凝固组织中制备纳米颗粒的技术提供了理论支撑。
[0005]一种纳米颗粒在钢液中制备方法，首先是制备含纳米析出相元素的钢合金熔体，其主要特色是在熔炼和浇注的过程中，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力(离心铸造)或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金。铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s ;熔体中含有高于基体合金熔点的析出相氧化钛的合金元素T1、O,随着温度下降T1、O溶解度下降，形成纳米氧化钛析出相的铸造合金。
[0006]合金化学成份(质量百分比):C^ 0.12wt.%, Mn ^ 0.50wt.%, Si ^ 0.30wt.%,S ≤0.040wt.%，P ≤0.035wt.%，0.03~0.50wt.%Ti。
[0007]本发明的具体工艺过程:
[0008]I)利用真空熔炼、电弧熔炼等加热方式，将钢合金加热溶化；
[0009]2)合金熔炼是在氮气气氛下进行的；
[0010]3)钢全部熔化后，再过热50~100°C，待液面稳定后，加入0.03-0.50wt.%Ti丝，其直径为Φ0.1—3mm ；
[0011]4)在0.01~0.5MPa氮气压力下，进行熔炼；
[0012]5)在0.01~0.5MPa氮气压力下，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1.7m/s ;金属液在铸型中的压力0.01~IMPa ；
[0013]6)铸型可为砂型、溶模壳型、金属型；
[0014]7)金属完全凝固后，停止压力场和流场等外力作用；
[0015]8)后续进行控轧控冷，取样进行组织、性能分析。
[0016]Q195，是一种碳素结构钢。屈服强度195MPa。价格较便宜，用于建筑、摩托车车架等结构。具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低。本课题研究方向是通过铸态时纳米级第二相粒子的析出及控轧控冷工艺来提高Q195钢的性能并降低成本的。主要研究内容为以氧化物冶金技术为背景，在真空熔炼过程中通过“区域微量供应”(即喂丝加搅拌的方法)向钢液中添加合金元素Ti，使之与钢液中的氧发生反应(同时严格控制熔炼时的氧含量)，生成钛的氧化物非金属夹杂。控制这些非金属夹杂物在钢液中的析出，将其尺寸控制在纳米级别，并在其后的凝固过程中控制非金属粒子的长大，最大程度上实现第二相强化效果，另一方面研究钢的铸态组织的变化，尽量提高铸态钢的力学性能，为后续的力学加工以及焊接乃至最终的应用提供良好基础。
[0017]本发明优点是:
[0018]在凝固合金中直接原位析出与基体共格或半共格的纳米弥散氧化物相，有利于在大幅提高钢强度的同时不损害其塑韧性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为铸态时所得Q195的SEM组织照片；
[0020]图2为铸态下TEM组织照片；
[0021]图3 为 Q195 的 HRTEM 照片；
【具体实施方式】
[0022]1)合金原料:使用的为普碳钢 Q195 方坯，C:0.1Owt.%，Mn:0.40wt.%，S1:0.15 ~
0.30wt.%，S:0.045wt.%，P:0.0350wt.%。合金重量为 8kg。
[0023]2)采用内涂陶瓷涂料的金属型铸造，浇注前金属型加热到200°C ；
[0024]3)为减少吸气，将合金原料、石墨浇口杯，在电阻炉内加热到200°C，保温2小时烘干;
[0025]4)将合金原料放入坩埚，将铸型安装在真空炉内的离心盘上。然后安装浇口杯支架、浇口杯、陶瓷过滤网。使浇口杯的导流管与铸型上的浇口中心对正。关闭炉门、炉盖，开启真空系统对炉体抽真空，当真空度达5 X KT1Pa,关闭真空系统充入N2气达0.5MPa ；
[0026]5)送电升温熔炼合金，最高温度可过热到1600°C，待合金液面平静后用二次加料装置加入纯Ti丝(相当于总重量的0.15wt%)，其直径为Φ0.5，在1560~1600°C下保温l-2min后开始浇注。从开始熔炼到合金到合金全部熔清时间为30-50min，从合金全部熔清到浇铸的时间为约15min ；
[0027]6)烧注前开离心机,离心转速为1000转/min,金属液流流动线速度约为10m/s~20m/s ；
[0028]7)浇注:浇注速度恰当，避免过快不利于排气和过慢造成金属液断流，一般在15秒左右浇注充型完毕。为了保证金属液体在离心力的作用下凝固，在浇注结束后离心机持续运行15分钟左右，直至铸件凝固。
[0029]8)金属完全凝固后，停止压力场和流场等外力作用，熔炼结束后得到135mm X 75mm X 96mm 的铸还；
[0030]9)后续进行控轧控冷，在1200°C保温2h，经7个道次轧制，初轧及终轧温度分别为1150°C和870°C，粗轧时的道次压下量为54%，精轧的道次压下量为67%，终轧后经水冷到550°C上下然后空冷至室温，得到Ilmm后的板坯；
[0031]10)取样进行组织、性能分析，经检测组织中原位析出大量弥散分布的纳米第二相，钢材的强度得到很大的提升且其塑韧性并没有损失很大。
[0032]表一为纳米强化Q195钢的具体力学性能。
[0033]表一`
[0034]
【权利要求】
1.一种制备原位纳米颗粒强化Q195钢的方法，其特征是在熔炼和浇注的过程中，加入Φ0.1—3mm的Fe—Ti合金丝，在容器中施加压力形成压力场，在熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成流场，促使金属液流动，抑制析出相长大，避免粗大析出相形成，形成纳米强化的钢合金；铸造过程中，熔体形成流动，熔体的线流动速度不低于1.7m/s ;熔体中含有高于基体合金熔点的析出相氧化钛的合金元素T1、0，随着温度下降T1、0溶解度下降，形成纳米氧化钛原位析出相的铸造合金，以此来增加钢的强度并不大幅损失其塑韧性，并通过后续控轧控冷进一步提升钢的性能。
2.如权利要求1所述的一种制备原位纳米颗粒强化Q195钢的方法，其特征是以铸造合金铁为主要成分的低碳合金钢，合金化学成份:C ( 0.12wt.%，Mn ( 0.50wt.%，Si ( 0.30wt.%，S ≤ 0.040wt.%，P ≤ 0.035wt.%, 0.03 ~0.50wt.%Ti ;具体工艺过程为: . 1)利用真空熔炼、电弧熔炼加热方式，将钢合金加热溶化； .2)合金熔炼是在氮气气氛下进行的； . 3)钢全部熔化后，再过热50~10(TC，待液面稳定后，通过“区域微量供应”方法加入.0.03-0.50wt.%Ti ； .4)在0.01~0.5MPa氮气压力下，进行熔炼； .5)在0.01~0.5MPa氮气压力下，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1.7m/s ;金属液在铸型中的压力0.01~IMPa ； .6)铸型为砂型、溶模壳型、金属型； .7)金属完全凝固后，停止压力场和流场外力作用； . 8 )后续进行控轧控冷，取样进行组织、性能分析。
【文档编号】B22D13/00GK103495720SQ201310409451
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】王自东, 汤浩, 陈晓华, 曾新建 申请人:北京科技大学