一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢铁冶金领域，提供了一种向钢液中添加纳米粒子，并使之均匀弥散 在钢中的方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学和生产技术的发展，对钢材质量的要求越来越高，要求进一步提高钢的 强度、韧性、延展性、加工性能以及使用寿命。钢中细小的第二相粒子在凝固结晶及热加工 过程中对钢的组织起到一定的细化作用，能够提高钢的综合力学性能。
[0003] 目前工业上获得细小第二相粒子主要是通过高纯净化、微合金化以及控轧控冷相 结合的方式，在钢材内部形成合适的粒子，但是准确控制内部生成粒子的种类、尺寸非常困 难。外部添加法获得第二相粒子对钢液纯净度的要求并不高，且其过程较易控制，并对细化 原本的奥氏体晶粒以及后期的延乳、热处理等加工过程都有作用，因此，向钢中添加第二相 粒子的新思路具有一定的现实意义。外加粒子的尺寸一般为纳米级，纳米粒子比表面积大、 反应活性高，加入到高温的钢液中很容易发生反应和团聚，如何将纳米粒子加到钢水中并 使之发生弥散，是目前外加法获得第二相粒子面临的技术难题。
【发明内容】
[0004] 1.发明要解决的技术问题
[0005] 本发明提供了一种向钢液中添加纳米粒子的操作方法，通过对操作过程的各个环 节进行合理控制，尤其是对各个环节的操作时间进行控制，可以实现纳米粒子在钢中弥散 分布而不发生明显团聚。
[0006] 2.技术方案
[0007] 本发明提供的一种向钢液中添加纳米粒子的操作方法包括以下内容：
[0008] (1)按一定的质量百分比分别称取高熔点氧化物或氮化物纳米粒子和合金纳米 粉，将两者混合后通过真空条件下的高剪切混匀分散机进行分散，转数控制在HOOrpm/ min，混匀时间持续24小时；
[0009] (2)称取一定量的混合纳米粉剂，利用手动式液压制样机将粉剂压成块状，压制压 力指针指向6~8Mpa后卸压拿出混合粉块；
[0010] (3)将混合粉块用锡纸包裹，并固定在一根钼棒的端部备用；
[0011] (4)称取一定质量的重熔钢块，放入坩埚后置于高温管式电阻炉内，通电加热，待 温度上升至600°C后，开始向管式炉内通入氩气驱赶炉膛内空气，并作为重熔过程中的保护 气体，防止钢液吸氧吸氮。当管式炉温度到达1600°C后，保持在该温度。整个加热过程中， 管式炉炉口均有耐火砖密封；
[0012] (5)待坩埚内的重熔钢块完全熔化成清澈见底且具有流动性的钢液后，增大氩气 通气量，将固定有混合粉块的钼棒一端迅速插入到钢液底部，快速搅拌，并将部分浮到钢液 表面的块状或粉状料用钼棒搅拌使其重新进入钢液，此过程不超过15s，最后用耐火砖密封 炉口；
[0013] (6)之后，每间隔2~3min，用钼棒伸入钢液底部搅拌一次，每次搅拌不超过10s， 该操作循环3~5次；
[0014] (7)上述操作完成后，再等待10~15min，最后用坩埚钳将坩埚夹出进行水冷。水 冷时将坩埚下半部分先浸入到水中，可观察到澄清的钢液迅速变得浑浊，当看到钢液与空 气接触的表面产生一层固相膜时，再将坩埚完全浸入水中，直至钢液完全凝固成钢锭。
[0015] 所述高熔点氧化物或氮化物纳米粒子和合金纳米粉的质量百分比为1 :8~1 :10。
[0016] 所述高恪点氧化物或氮化物纳米粒子为MgO纳米粉、Al2O3纳米粉、Ce 203纳米粉和 TiN纳米粉中的一种，且粒子平均粒度均f 25nm。
[0017] 所述合金纳米粉为对钢液成分无污染的低恪点AlSi合金纳米粉、SiMn合金纳米 粉、NiFe合金纳米粉中的一种，本研宄中选择AlSi合金纳米粉，Al和Si质量比为3 :1，平 均粒度g 25nm。由于Al、Si均为钢中常见的脱氧元素，因此选择该种合金对钢液污染性小。
[0018] 3.技术效果
[0019] 与现有的同类技术相对比，本发明的优点体现在：
[0020] (1)前人研宄中大多用微米级甚至目级的粉剂作为纳米粒子的分散剂，微米级的 粒子之间的缝隙一般都在微米或微米以上，这样使纳米级的粒子在其中相遇并团聚成微米 级粒子。本发明中使用与纳米粒子尺寸相当的20nm左右的合金纳米粉作为分散介质，经混 匀分散机处理后，可使两者达到真正意义上的混匀，即每一颗纳米粒子，或者团聚后仍处于 纳米尺寸的粒子，均被周围与其单颗粒尺寸相当的合金纳米颗粒包围，压块之后，纳米粒子 彼此间距仍然较大，达到真正预分散效果；
[0021] (2)前人研宄中常用铁粉作为纳米粒子的分散介质，其熔点在1535°C，加入钢液 中后熔化速度较慢，这给已经释放到钢液中的纳米粒子提供了充足的时间团聚长大，不利 于纳米粒子的弥散。而作为分散介质的AlSi合金纳米粉熔点较低，不大于660°C，加入到钢 液后会迅速熔化，将其内部处于分散状态的纳米粒子释放，利于纳米粒子均匀弥散；另外其 构成元素 Al和Si均为脱氧元素，它的适量加入不会对钢液造成污染；
[0022] (3)前人研宄方法多集中在对纳米粒子经过复杂的工艺处理，并设计特殊的机械 设备上，使得实验过程变得复杂，一般的研宄人员很难复制其操作。本实验本发明提供的向 钢液中添加纳米粒子的操作方法注重对实验操作过程及细节的把握，整个实验过程涉及的 实验设备（如管式电阻炉、手动式液压制样机等）均较常见，只要按照实验步骤所述的搅拌 次数及搅拌时间操作，均可达到实验目的，克服了无特殊设备便难以复制实验操作的难点， 易推广应用，且对后者研宄纳米粒子弥散在钢中的实验机理提供了条件；
[0023] (4)前人研宄方法得到的实验检测结果中，虽然加入的纳米粒子在钢中也有弥散 的效果，但其纳米粒子均发生了较大程度的团聚，尺寸均在微米级别，而本发明最终得到的 钢锭中，含纳米粒子主体元素的夹杂物（如纳米MgO中的Mg即为主体元素，最终钢锭中含 Mg的夹杂物为MgO-Al2O3和MgO-Al 203-MnS)尺寸多数保持在1 μπι以下（如附图1和2所 示），真正实现了加入的纳米粒子在钢中仍以纳米尺寸存在，为诱导更为细小的针状铁素 体，形成更致密的凝固组织奠定了基础。
【附图说明】
[0024] 图1为MgO纳米粉加入质量分数为0. 02%的钢中含Mg夹杂物典型形貌；
[0025] 图2为MgO纳米粉加入质量分数为0. 05%的钢中含Mg夹杂物典型形貌；
[0026] 图3为MgO纳米粉加入质量分数为0. 1 %的钢中含Mg夹杂物典型形貌；
[0027] 图4为钢中添加纳米MgO后生成的MgO-Al2O3型复合夹杂EDS结果；
[0028] 图5为钢中添加纳米MgO后生成的MgO-Al2O3-MnS型复合夹杂EDS结果
【具体实施方式】
[0029] 实施例一：
[0030] (1)按质量比I : 10称取MgO纳米粉和AlSi合金纳米粉，将两者混合后通过真空 条件下的高剪切混匀分散机进行分散，转数控制在1400rpm/min，混匀时间持续24小时；
[0031] (2)称取0. 65g的混合纳米粉剂，利用手动式液压制样机将粉剂压成块状，压制压 力指针指向7Mpa后卸压畢出混合粉块；
[0032] (3)将混合粉块用锡纸包裹，并固定在一根钼棒的端部备用；
[0033] (4)称取265. 5g的Q235钢块（即加入的MgO纳米粒子占钢液的质量百分比为 0. 02% )，放入Al2O3坩埚后置于高温管式电阻炉内，通电加热，到达600°C时开始通入氩气， 气体流量保持在2. 5m3/h，当管式炉温度到达1600°C后，保持在该温度，并增大氩气流量，保 持在4m3/h。
[0034] (5)待坩埚内的Q235钢块完全熔化后，将固定有混合粉块的钼棒一端迅速插入到 钢液底部，快速搅拌，并将部分浮到钢液表面的块状或粉状料用钼棒搅拌使其重新进入钢 液，此过程用时13s，最后用耐火砖密封炉口；
[0035] (6)之后，每间隔2min，用钼棒伸入钢液底部搅拌一次，每次搅拌8s，该操作循环3 次；
[0036] (7)上述操作完成后，再等待lOmin，最后用坩埚钳将坩埚夹出进行水冷；
[0037] (8)从钢锭中切取一块边长15mm的立方体，对其任意一面进行砂纸磨、抛光并酸 洗，置于扫描电子显微镜下对其夹杂物类型和尺寸进行统计分析。
[0038] 实施例二：
[0039] 本实施例的基本实验步骤同实施例一，不同之处在于：称取的混合纳米粉剂为 1. 3g，Q235钢块为237. 5g，这样使得加入的MgO纳米粒子占钢液的质量百分比为0. 05%。
[0040] 实施例三：
[0041] 本实施例的基本实验步骤同实施例一，不同之处在于：称取的混合纳米粉剂为 2. 5g，Q235钢块为226g，这样使得加入的MgO纳米粒子占钢液的质量百分比为0. 1%。
[0042] 表1不同MgO含量的钢液中含Mg夹杂物的主要类型及其平均尺寸
[0043]
【主权项】
1. 一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 纳米粒子预分散 将高熔点氧化物或者氮化物纳米粒子和低熔点合金纳米粉按比例混合后通过混匀分 散机进行预分散，转数控制在1400rpm，混匀时间持续24小时，再将混合纳米粉通过液压制 样机压制成块，用锡纸包裹固定在钼棒一端； (2) 纳米粒子添加 待高温管式炉中坩埚内的重熔钢块完全熔化成钢液后，通过钼棒将纳米粉块快速加入 到钢液底部，并快速搅拌，使部分浮到钢液表面的添加料重新进入钢液，此过程在15s内完 成，之后每间隔2~3min，需用钼棒伸入钢液底部搅拌一次，每次搅拌f10s，该操作循环 3~5次； (3) 钢液冷却凝固 加料操作完成后，再等待10~15min，然后将坩埚夹出放入冷却水中，使其下半部分先 浸入到水中，当观察到钢液与空气接触的表面产生一层固相膜时，再将坩埚完全浸入水中， 直至钢液完全凝固成钢锭。
2. 根据权利要求1所述的一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，其特征在于：所 述高恪点氧化物或者氮化物纳米粒子为MgO纳米粉、Al2O3纳米粉、Ce203纳米粉和TiN纳米 粉中的一种，且粒子平均粒度均f25nm。
3. 根据权利要求1所述的一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，其特征在于：所 述低恪点合金纳米粉为AlSi纳米粉、SiMn纳米粉、NiFe纳米粉中的一种，粒度平均粒度均 刍 25nm。
4. 根据权利要求1所述的一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，其特征在于：所 述纳米粒子和合金纳米粉的质量配比为1 :8~1 :10。
5. 根据权利要求1所述的一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，其特征在于：所 述加入的高熔点纳米粒子在钢中所占质量百分比为0. 02%~0. 1%。
【专利摘要】本发明是一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法，涉及钢铁冶金技术领域。利用冶金研究最常用的实验设备，通过简单且易推广应用的操作方法，实现了纳米粒子在钢液中的均匀弥散化。其方法包括：将纳米粒子与合金纳米粉混合并分散均匀后，压制成块，利用钼棒加入钢液底部，纳米粒子在钢液中被释放过程中配以数次搅拌，最后以水冷的方式得到钢锭，其中的纳米粒子均匀弥散。本发明所涉及的关键操作，纳米粒子预分散、粉剂压块处理、物料加入钢液内部以及强烈搅拌作用，为进一步实现工业应用提供了借鉴意义。
【IPC分类】C21C7-00
【公开号】CN104726639
【申请号】CN201510112842
【发明人】高向宙, 李京社, 杨树峰, 廖航, 高维
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月13日