相关申请的交叉引用
本专利申请要求2014年11月14日提交的美国临时申请号62/079,558的优先权和权益，该申请的内容以引用方式并入本文。
背景技术：
本申请整体涉及复合材料的制造，并且更具体地涉及一种制造用作制钢中的脱氧剂的铝基质复合材料的方法。
发明背景
钢脱氧(即，在浇铸之前从熔融钢的氧移除)为现代制钢中的必要技术步骤。在浇铸操作期间，随着熔融钢冷却和固化，溶解氧与碳反应并形成一氧化碳(co)气泡，该一氧化碳气泡被捕集于钢块或铸块中，从而产生空隙。空隙为制造过程中的严重缺陷，致使钢的机械性能减小，特别是压延钢产品的机械性能减小；因此，不可避免的是氧在浇铸之前必须从钢移除。
为对熔融钢脱氧，冶金学家通常将强氧化物形成元素(诸如，mn、si和al)引入钢熔体中。这些元素与溶解氧反应并且形成固体氧化物颗粒，该固体氧化物颗粒轻于熔融钢并且漂浮至接合熔渣的熔体表面，该熔体表面保护熔融钢表面。
铝是最有效脱氧(deox)剂之一，并且实际上用于所有品质的压延钢，这些压延钢包括约60％的所有所制备钢。铝通常在制钢过程的两个阶段供给至熔融钢中。第一次供给(其中使用大量的脱氧铝)发生于电弧炉(eaf)或碱性氧气转炉(bof)以铸块或锥形体的形式出钢至钢包中时，该铸块或锥形体放置于空钢包的底部和(或)抛至出钢涡流中。除了其主要脱氧目的之外，在出钢时执行的铝供给还增加了生产能力，因为用铝的脱氧是快速的并且在将钢包转移至下一操作时运行完成。第二次供给(其中通常使用较小量的铝)在钢包冶金炉(lmf)处被递送至钢包本身，钢包冶金炉为熔融炉和浇铸机之间的特殊中间设施，专用于改善熔融钢品质和使其组成达到规格。工业上使用平均2千克的铝/吨钢。
将铝用于钢脱氧的一个重大问题为，该有价值金属不可逆地损耗。一旦铝与氧反应以形成漂浮至熔融钢表面并与覆盖熔渣混合的氧化铝或含铝氧化物，则不存在将铝恢复回金属形式的实际方式。因此，世界上所生产的高达4％的原生(从铝土矿提炼)铝以不可恢复方式损耗于钢脱氧。然而，仅约30％的这些损耗是技术上必须的，并且是由于溶解于熔融钢中的氧与铝的反应，其它70％是浪费。为理解原因，假定在钢脱氧的过程中，将铸块或小锥形体形式的铝供给至包含熔融钢的钢包中。钢包中的熔融钢表面覆盖有保护性熔渣，该保护性熔渣包含大量的铁氧化物。因为铝相比于熔融钢具有远远较低的密度(2.2相比于7g/cm3，相同温度)，所以铝漂浮至熔体表面，其中铝被捕集于覆盖熔融钢的熔渣中并且大部分的铝(70％)暴露于熔渣的铁氧化物或环境空气中的氧而不是溶解于钢中的氧并与之反应，并且因此被无效地浪费。
应当指出的是，铝为一种制备极其耗能的金属，每从铝土矿生产一吨的原生铝需要174gj电能。幸运的是，铝强耐环境腐蚀，并且易于经由二次废料冶炼(相比于矿的原生铝生产使用少约10倍的能量的操作)而再循环。因此，鉴于很大程度上在发电过程中所产生的二氧化碳排放所导致的气候变化，一般来讲，铝的不可恢复损耗，特别是不必要不可恢复损耗是非常严重的环境问题。
对在脱氧期间漂浮至钢表面的铝的问题的直接工程解决方案是使铝接合较重成分，使得铝在供给至熔融钢中时浸没更深。对于较重成分的逻辑选择为铁或钢，因为其可使接合材料更重而不污染钢熔体。实际上，如果考虑对该问题的现有技术解决方案，那么从大约20世纪70年代以来市场上供应有称为铝铁合金(经由铁(或钢)和铝的高温冶炼来生产)的此类材料——参见(deelyp.d.，《铁合金和对液体铁和钢的其它添加剂(ferroalloysandotheradditivestoliquidironandsteel)》中的“铝铁合金——性能和用途(ferroaluminum-propertiesanduses)”，astmstp739，j.r.lampman和a.t.peters编辑，美国材料试验学会，1981年，第157-169页)。其在制钢工业上的实际用途证明，用于钢脱氧的铝消耗量可减少一半。然而，尽管技术上成功，但是铝铁合金存在一些缺点，这些缺点阻碍其广泛应用于工业。因为合金利用高温冶炼来生产，所以其由于高能量和炉维护成本以及由于氧化的铝高损耗已证明制造昂贵。与高过程温度相关的另一问题为铝铁合金在供给至熔融钢期间由于热应力和微观结构上所存在的大量易碎复杂金属间相而对碎裂的易感性。这些金属间相中的一些还与环境中的水蒸汽反应，所以铝铁合金通常甚至在存储期间碎裂成粉尘。碎裂脱氧剂为远远较低效率的，因为随着将脱氧剂供给至熔融钢中，轻碎屑易于被捕集于熔融钢表面上的熔渣中。
据称，铝铁合金的上述缺点通过将铝-铁颗粒混合物机械地压块可被克服，依据美国专利no.6350295。将铝与现有技术中所提出的较重成分接合的另一方式是将铝熔融并且将其浇铸于预制钢形状中或其周围——参见例如美国专利4,801,328或中国专利cn21102974y。进给铝丝以用于脱氧目的的技术描述于例如美国专利no.3,331,680中。用于制造铝脱氧剂材料的创新技术公开于俄罗斯联邦专利no.2269586中。
然而，尽管做出各种尝试来开发一种经济上可制造的有效铝脱氧剂材料，但是仍缺乏对于制钢工业可接受的实际解决方案，如通过将铝锥形体和铸块供给至熔融钢中的当前工业脱氧实践(导致铝和用于其生产所用能量的巨大不可逆损耗的低效过程)所证明。因此，对于新型铝脱氧剂材料以及用于其制造的技术和经济上可行过程存在着现实实践需求，该新型铝脱氧剂材料相比于当前实践提供了铝在钢脱氧中的更有效使用。
技术实现要素：
如本文所示，本复合材料和制造方法单独地或以其任何组合为未明确预期的、揭示明显的，或甚至未存在于现有技术机制的任一者中。因此，本制造方法的一些实施例示出于本文中。
该制造方法的一个目标是提供有效和经济脱氧剂铝基质复合材料的制造方法，该脱氧剂铝基质复合材料为近全致密的，无易碎金属间化合物，并且允许铝深度渗透至熔融钢中，从而避免该有价值金属因与熔渣和大气的寄生氧化反应的不必要损耗。
该制造方法的另一个目标是基于原位压力渗入技术(意指铁铝或其它含铁填料铝预成型件多孔形状被原位存在于该预成型件中的铝成分渗入)而提供用于脱氧剂铝基质复合物制造的创新性和成本有效技术。
该制造方法的另一个目标是提供近全致密的、不含易碎金属间化合物，并且因此提供非碎裂脱氧剂铝基质复合物，该非碎裂脱氧剂铝基质复合物在制钢过程中是安全的并且易于使用而无需对工业上所采用的现有手动或自动脱氧颗粒的任何设备更改或中断。
该制造方法的又一个目标是提供脱氧剂改性剂铝基质复合物，该脱氧剂改性剂铝基质复合物包含除了铝之外的一种或多种脱氧和包合体改性剂，从而揭示了在脱氧和改善钢性能方面甚至更有效的新材料。
在本发明制造方法的一个实施例中，提供了一种用于制造铝基质复合材料的方法。该方法包括以下步骤：形成由铝和富铁成分组成的多孔独立式预成型件，将热施加至独立式预成型件以将其温度升高高于铝的熔点并且低于富铁成分的熔点，和施加压力以使独立式预成型件致密化来固化。
在本发明制造方法的又一个实施例中，铝基质复合材料的富铁成分为钢。铝的含量为10％(重量)至50％(重量)之间的复合材料。另外，在本发明制造方法的一个实施例中，铝为30％(重量)的复合材料。
本发明制造方法的另一个实施例提供了一种独立式预成型件，该独立式预成型件通过机械压挤、压块、容器、无机粘结剂的过程或这些过程中任一者的组合来形成。
本发明制造方法的一个实施例提供了施加至独立式预成型件以将其温度升高至661摄氏度以上的特定量的热。在一个实施例中，热通过选自包括感应加热、电阻炉加热和有机燃料燃烧炉加热的组的过程被施加至独立式预成型件。另外，本发明制造方法的另一个实施例提供了，将一定量的外部压力施加至独立式预成型件，该外部压力足以使熔融铝成分大体填充富铁成分之间的所有孔隙和间隙。本发明制造方法的又一个实施例是将一定量的外部压力提供至独立式预成型件以使预成型件致密化。用于致密化的压力通过密封压模中的压挤来施加。
本发明制造方法的一个实施例提供了富铁成分，该富铁成分选自包括锰铁合金，和钢和锰铁合金的混合物的组。
在又一个实施例中，独立式预成型件通过选自包括机械压挤、无机粘结剂、钢容器和其任何组合的组的过程来界定和支撑。另外，施加至独立式预成型件的该量的热通过某一过程来施加，该过程包括感应加热、电阻炉加热和有机燃料燃烧炉加热。
本发明制造方法的一个实施例是提供一种用于制造铝基质复合材料的方法。这些步骤包括形成多孔独立式预成型件，该独立式预成型件由铝的多种细粉和选自由以下项构成的组的多种细粉组成：钢、锰铁合金、硅钙合金、碳化钙、稀土金属、锰铁合金之外的任何铁合金。接下来，将一定量的热施加至独立式预成型件，该热足以将其温度升高高于铝的熔点并且低于预成型件的其它成分的熔点，和施加一定量的压力以使独立式预成型件致密化至近全致密来允许独立式预成型件中的铝固化。
为了可更好地理解下述的具体实施方式，和为了可更好地了解对现有技术的本发明贡献，因此，已概述(非广义地)制造铝基质复合物的方法的较重要特征。存在有复合材料和制造方法的额外特征，这些额外特征将在下文描述并且将形成所附权利要求书的主题。
为了实现前述和相关目的，本文结合下述说明描述了某些说明性方面。这些方面指示各种方式，其中本文所公开的原理可付诸实践并且所有方面和其等同物旨在落入所要求主题的范围内。其它优点和创新特征根据下述具体实施方式将是显而易见的。
在这方面，在详细解释复合材料的制造方法的至少一个实施例之前，应当理解，方法不限于其对复合材料细节的应用并且不限于下述说明中所阐述的制造过程的步骤的布置。该制造方法可具有其它实施例，并且能够以多种方式实践或实施。另外，应理解，本文中所采用的用语和术语目的在于说明，并且不应视为限制性的。
这些连同复合材料和制造方法的其它目标以及表征该体系的新颖性的各种特征在所附权利要求书中特别地指出并且形成本公开的一部分。为更好地理解该方法、其操作优点以及通过其应用所达到的具体目标，应参考其中说明制造方法的优选实施例的描述内容。
具体实施方式
本发明制造方法所提供的新型钢脱氧剂材料可最佳描述为铝基质复合物。复合材料通常定义为包括包含于连续基质材料或由连续基质材料包围的离散增强材料或填料颗粒或纤维。不同于由不同金属相(其交互作用受热力学平衡定律控制)组成的常规金属合金，金属基质复合物通常称为工程材料。复合物增强材料和基质通过工程制造过程接合在一起，并且一般来讲，自身在热力学平衡中无作用，在许多情况下为彼此化学惰性的——例如，铝基质复合物中的耐火陶瓷颗粒。
根据工程观点，对于将复合材料添加至广泛种类的先前可用金属和合金存在着令人信服的理由。这是因为，复合物允许材料工程化，其中微观结构和性能利用熔融、浇铸、冷加工和热加工的既定方法不可实现，该冷加工和热加工依赖于物理化学方法和金属体系中的反应。例如，为使脱氧剂重于铝，可利用铝与铁在高温下的冶炼，从而产生本文较早描述的合金化铝铁合金。铝铁合金重于铝，但包含大量的易碎和易腐蚀金属间相，这些金属间相使其在存储中或当将其供给至熔融钢中时碎裂。然而，如果钢颗粒利用高温冶炼之外的制造方法可与铝基质接合成工程化近全致密复合材料，那么所得材料将比铝远远更致密，并且同时，不含由于碎裂而减小铝铁合金脱氧剂效率的易碎金属间相。
存在本领域的技术人员所周知的用于制造金属基质复合材料的许多技术方法。例如，浇铸为其中增强材料颗粒首先与熔融金属预混并且然后将混合物浇铸于模具中的情况。另一个实例，当将固体增强材料和基质颗粒混合、压挤成形状并且然后在高温下以固态烧结时，产生了粉末合金化方法。另一种周知广泛应用的方法一般可描述为压力渗入技术。在其定制实施方式中，首先制备增强材料颗粒的干燥预成型件、加热、放置于压模中，并且然后将熔融基质金属倾倒于压模上并通常经由液压冲床在施加至基质金属的外部压力条件下渗入至干燥预成型件中。定制压力渗入技术的缺点为，其需要复杂加工工具、对每个单独团块的制造参数的精确控制。另外，最关键缺点为需要熔融并保持大量的基质金属，这在铝的情况下导致铝成废料的高损耗。
本文所描述的新型脱氧剂铝基质复合材料利用压力渗入技术来制造，该压力渗入技术相比于定制技术被根本上改善以使该技术实施起来经济并且使有价值铝的损耗最小化。不同于定制技术，新型技术铝基质渗入剂不必须从由钢颗粒制成的干燥预成型件的一个边界行进通过预成型件的主体和所有途径至相对边界以完全地渗入预成型件。熔融铝的此类长行程需要复杂和精确加工压模来避免铝在压力条件下冲出，并且还带有过早铝冷却和因此不完全预成型件渗入的风险。相反，在新型技术中，液体铝必须行进仅短距离来填充预成型件中的钢颗粒之间的间隙。这是因为铝在预成型件制造步骤的阶段与钢颗粒预混，这也自动地确保新型复合物脱氧剂中的精确铝对钢重量比。预混铝在预成型件加热期间转变成液态，并且当预成型件在液压机压模中挤压时仅行进相当于钢平均粒度的距离来填充其周围的间隙。此类技术可称作原位压力渗入技术，因为铝渗入剂原位存在于正被渗入的预成型件中。
在一个优选实施例中，多孔独立式预成型件形状形成自与钢的压碎切屑、薄片、镗削切屑或其它大体小块混合的铝的压碎切屑、薄片、镗削切屑或其它大体小块，其中铝的优选重量分数接近30％。形状的形成为制造操作，该制造操作对于本领域的技术人员将是已知的，并且优选地通过机械压挤或压块来实现。另选地，预成型件形状可利用容器、无机粘结剂(即，硅酸钠)或两者来形成以使其独立。预成型件的几何结构可改变。在一个优选实施例中，几何结构可为直径在20和200毫米之间并且高度在20至200毫米之间的圆柱体，并且其直径对高度比为1:1或接近1:1。
接下来，将预成型件加热至高于铝的熔融温度但低于钢的熔融温度的温度，并且持续充分时间以用于铝成分转变成液态。准确加热温度值可改变。在一个优选实施例中，温度范围可在661摄氏度和800摄氏度之间。用于加热预成型件形状的可能技术对于本领域的技术人员将是已知的。在一个优选实施例中，技术可为感应加热，因为其在加热包含铁磁体成分(特别是碳钢)方面是极其有效的。
应当指出的是，尽管在预成型件的加热期间将出现铝的一些氧化，但是相比于大量铝在开放空气炉中的熔融和保持，该氧化因过程简短和预成型件中的所限制空气路径将显著地最小化。
然后，加热预成型件形状以适当紧密体积在压力下进行挤压，该压力足以使形状中的原位熔融铝成分实际上填充钢颗粒之间的所有孔隙和间隙，使得复合物变为近全致密的，其中密度至少高于理论值的90％并且优选地高于理论值的95％。应维持预成型件上的压力，直至其中熔融铝固化的时刻。挤压操作可利用对本领域的技术人员已知的广泛种类的技术来执行。在一个优选实施例中，技术可为在安装于液压机上的密封压模中的压挤。适于挤压操作的压模相比于定制压力渗入技术中所用的压模可为远远较不复杂的。这是因为，在定制压力渗入中，液压冲床必须在高压力下将较大体积的液体金属驱动相当大距离，直至其完全渗入干燥预成型件。如果压力条件下的热液体金属发现冲头和压模壁之间的甚至细小间隙，那么其可冲出压模。为避免冲出，用于使间隙最小化的压模和冲头的精确加工是必须的；一旦渗入完成，则这继而使其难以从压模抽出冲头。
冲头抽出困难通道导致压模设计的进一步复杂性。例如，替代一体圆柱形压模，使用分体式压模对于抽出可为必要的。在原位压力渗入的情况下，抽头必须行进仅短距离以使预成型件致密化，并且正被抽头压挤的材料为半固体的，非完全液体的(不同于定制压力渗入技术的情况下的铝)。这允许冲头和压模壁之间的远远较不紧密间隙并且解决了冲头抽出问题，使得可使用简单圆柱形一体式压模。
在制造方法的另选实施例中，独立式多孔形状中铝的重量分数可在10％和50％之间改变。
在制造方法的另一个另选实施例中，多孔独立式预成型件形状形成自与锰铁合金的大体小块混合的铝的压碎切屑、薄片、镗削切屑或其它大体小块，其中铝的重量分数接近25％。其余的过程步骤(包括形状加热和加热形状挤压)为大体相同的。以锰铁合金取代钢的合理性在于，在一方面，对本领域的技术人员已知的是铝和锰作为脱氧剂的组合效果强于任一元素单独的效果。另一方面，就制备较重含铝脱氧剂和在多孔独立式预成型件形状的感应加热期间提供有效感应耦合而言，锰铁合金可起到与钢相同的功能。
在制造方法的其它另选实施例中，独立式预成型件形状中的一些钢和铝可由可用于制钢过程中的添加物来替代，诸如硅钙合金、碳化钙、稀土金属和其它可用添加物。此类添加物相比于单独铝可有助于使钢甚至更好地脱氧，或调整悬浮于熔融钢中的氧化物和其它非金属颗粒的形状和尺寸，从而使得它们更小和更紧凑，进而改善最终压延钢产品的外观和机械性能。
在一个优选实施例中，直接替代铝铸块或锥形体，如上文优选实施例中所描述来制备的新型钢脱氧剂铝基质复合材料用于在eaf或bof出钢至钢包中的阶段使钢脱氧。未受特殊理论束缚，脱氧剂复合材料对其替代的铝铸块或锥形体重量的重量比基于下述考虑事项可估计为1.66:1。根据以往工业实践已知的是，相比于利用铸块或锥形体的脱氧，包含接近30％(重量)的铝的非碎裂铝铁合金节省50％的铝。因此，每千克的铝铸块或锥形体可由铝铁合金或(在本发明制造方法的情况下)脱氧剂铝基质复合物中所含的0.5千克的铝替换。对于30:70的铝对钢的优选重量比，可计算替换一千克的铝铸块或锥形体的新型脱氧剂的总重量：0.5千克×100÷30＝1.66千克。
虽然上述说明包括许多特异性，但是它们不应视为对制造方法的范围的限制，而应视为其优选实施例的例证。许多其它变型是可能的。因此，制造方法的范围不应由所示实施例确定，而是由附属权利要求书和其法律等同物确定。