用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂的制作方法

本发明的技术方案涉及铸钢的冶炼，具体地说是用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂。

背景技术：

在一般的铸钢铸态组织中，基体组织晶粒都比较粗大，经常出现晶界偏析，沿晶界还会分布一些大块或网状碳化物，导致钢材的强韧性降低，在工作状态容易发生断裂或剥落。对钢材的铸态组织进行细化处理，改善碳化物形态和分布，减少晶界偏析是提高钢材性能的有效方法。所以，对钢材进行晶粒和组织细化是提高其性能最有效的方法。

细化晶粒和组织的方法有改变熔炼工艺、添加孕育剂、超声波振动法、急冷法、低温铸造法和熔液加压铸造法。其中研究较多的方法是添加变质剂，这是向铸钢熔液中添加少量的孕育细化剂，形成大量弥散的、难熔的结晶核心，并使基体熔体在结晶时依核生长，从而获得晶粒细化和组织细化的效果。铸钢的变质细化处理不仅可提高其强度和韧性，而且可增加其耐磨性，进而显著提高钢材的使用寿命。

目前，大多数铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂(即孕育剂)都是块状的，采用普通熔炼工艺制成铸锭，使用时将铸锭粉碎成小块，采用包内冲入法工艺。使用这种孕育剂细化的钢材铸态组织中，晶粒仍然较为粗大，碳化物断网现象和钢材力学性能提高均不明显。由于块状细化剂的晶粒尺寸远不够细小，所以对钢材基体晶粒和组织的细化效果并不理想。

CN201010131571.0公开了一种含稀土钢铁变质剂及其制备方法，其组份为：RE 5-35％、Mg 2-6％、Ti 2-12％、B 0-5％、Ca 0.5-5％、Ba 0-5％、Si 0-30％、其余为Fe及少量杂质元素。由于其成分含有镁，在变质过程中会产生光化烟雾，污染环境。同时，其制备方法比较繁琐、耗时，不利于大批量生产，并且其采用机械破碎，颗粒仍不够细小，所以变质效果有限。

CN201110081520.6披露了用于细化弹簧钢铸态组织的孕育剂的制备方法和应用方法，该孕育剂的制备步骤是：按摩尔比为Fe∶V∶Nb∶Al＝3.2～5.6∶0.5～1.5∶1.9～4.3∶1.5～3.5配料、熔融和离心快淬甩带，得到平均厚度为0.1～0.3mm，平均宽度为1～2.5mm，平均长度为3～8mm的薄片状快速凝固FeVNbAl中间合金孕育剂，应用方法是采用金属熔融铸造法。其变质剂的晶粒度虽然达到了纳米级别，但是其变质剂的整体尺寸仍很大，影响变质效果，并且其制备方法采用了快淬甩带，制备过程复杂，增加了制作成本，所以其应用受到一定的现限制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，是一种将钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按设定配比混合并再与设定配比稀土硅铁颗粒混合制得的细晶变质剂，克服了现有技术的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂颗粒不够细小、细化效果并不理想、制备过程复杂和制作成本高的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，是一种将钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按设定配比混合并再与设定配比稀土硅铁颗粒混合制得的细晶变质剂，其所含元素的重量百分比组成是：8～15％Ti、8～15％V、10～18％Nb、15～22％Si、8～14％RE和其余为Fe元素，该变质剂用以下方法制得：

第一步，按上述设定的元素的重量百分比称取的原料钛铁合金、钒铁合金和铌铁合金，利用雾化法将这些原料制备成钛铁粉、钒铁粉和铌铁粉，其工艺操作是将上述原料在电炉中加热至高于熔点150～250℃，使所有铁合金熔化，金属液自漏包自上而下向集粉器流出，在此过程中用5～8MPa的水流轰击金属液使其破碎成小液滴，小液滴快速冷却形成粉末，然后脱水，干燥，最后经筛分器筛选出400目的铁合金粉末，颗粒﹤37μm；

第二步，按上述设定的元素的重量百分比称取稀土硅铁原料，将该稀土硅铁原料机械破碎至粒度﹤5mm的颗粒；

第三步，按上述设定的元素的重量百分比，称量由上述第一步和第二步制得的各组元细料，将其搅拌均匀，由此制得用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，置于干燥处待用。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，所述其所含元素的重量百分比组成是：10％Ti、10％V、12.8％Nb、17％Si、10％RE和其余为Fe元素。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，所述钛铁合金、钒铁合金、铌铁合金和稀土硅铁原料均由供应商提供；所涉及到的设备和工艺操作方法均为本技术领域技术人员所公知的。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，其应用方法如下：

当钢液温度达到1600℃左右时，经脱氧后便采用冲熔法加入上述制得的置于干燥处待用的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，每次用量为所出钢液总重的0.3％(重量百分比)，加入后静置，浇铸。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点如下：

(1)本发明的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂的元素在熔入钢液后首先会和钢液中的碳氮元素发生原位反应生成他们各自的高熔点且不易熔解碳氮化合物(Ti、V、Nb)(C、N)，此类高熔点碳氮化合物在δ-Fe中的晶格错配度较低，即TiC为5.32％、TiN为3.57％、VC为1.68％、VN为0.81％，NbC为8.69％、NbN为6.98％，该低错配度的小质点可以作为钢液异质形核核心，在形核长大时具有较小的过冷度就可以促进晶体形核，所以形核率较高，细化了晶粒；上述％为重量百分比。

(2)形成高熔点的碳氮化合物在热处理过程中不易熔解，会以沉淀析出的方式析出小颗粒，这种小颗粒对晶体的回复与再结晶过程中对晶粒长大起到钉扎作用，减缓了晶体长大的趋势，有利于获得细小的晶粒并均匀化组织。

(3)本发明中最后经筛分器筛选出400目的铁合金粉末，颗粒﹤37μm，属于细晶材料。

与现有技术相比，本发明的显著进步如下：

(1)本发明的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，能够有效细化熔渣的形貌，使其分散更加均匀，同时能够有效提高钢材的晶粒度，细化组织，经一定的热处理后达到良好的强韧性配合，满足一些技术领域对钢材的特殊要求。(详见下面表1)

(2)本发明的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂的制备低成本、效率高、污染小和生产安全。

(3)本发明的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂的变质效果可在钢液中保持较长时间，有利于浇铸工作的进行。如有回炉料，还可以保持一定程度的变质效果，有利于节约生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是采用现有技术制备的稀土合金变质处理的铸钢试样铸态杂质形貌金相图。

图2是采用实施例3制备的本发明用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂处理的铸钢试样铸态杂质形貌金相图。

图3是用现有技术制备的稀土合金变质处理的铸钢试样调质处理后的晶粒度金相图。

图4是采用实施例3制备的本发明用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂处理的铸钢试样调质处理后的晶粒度金相图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，是一种将钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按设定配比混合并再与设定配比稀土硅铁颗粒混合制得的细晶变质剂，其所含元素的重量百分比组成是：8％Ti、8％V、10％Nb、15％Si、8％RE和其余为Fe元素，该变质剂用以下方法制得：

第一步，按上述设定的元素的重量百分比称取的原料钛铁合金、钒铁合金和铌铁合金，利用雾化法将这些原料制备成钛铁粉、钒铁粉和铌铁粉，其工艺操作是将上述原料在电炉中加热至高于熔点150～250℃，使所有铁合金熔化，金属液自漏包自上而下向集粉器流出，在此过程中用5～8MPa的水流轰击金属液使其破碎成小液滴，小液滴快速冷却形成粉末，然后脱水，干燥，最后经筛分器筛选出400目的铁合金粉末，颗粒﹤37μm；

第二步，按上述设定的元素的重量百分比称取稀土硅铁原料，将该稀土硅铁原料机械破碎至粒度﹤5mm的颗粒；

第三步，按上述设定的元素的重量百分比，称量由上述第一步和第二步制得的各组元细料，将其搅拌均匀，由此制得用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，置于干燥处待用。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，其应用方法如下：

当钢液温度达到1600℃左右时，经脱氧后便采用冲熔法加入上述制得的置于干燥处待用的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，每次用量为所出钢液总重的0.3％(重量百分比)，加入后静置，浇铸。

实施例2

用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，是一种将钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按设定配比混合并再与设定配比稀土硅铁颗粒混合制得的细晶变质剂，其所含元素的重量百分比组成是：15％Ti、15％V、18％Nb、22％Si、14％RE和其余为Fe元素，该变质剂用以下方法制得：

第一步，按上述设定的元素的重量百分比称取的原料钛铁合金、钒铁合金和铌铁合金，利用雾化法将这些原料制备成钛铁粉、钒铁粉和铌铁粉，其工艺操作是将上述原料在电炉中加热至高于熔点150～250℃，使所有铁合金熔化，金属液自漏包自上而下向集粉器流出，在此过程中用5～8MPa的水流轰击金属液使其破碎成小液滴，小液滴快速冷却形成粉末，然后脱水，干燥，最后经筛分器筛选出400目的铁合金粉末，颗粒﹤37μm；

第二步，按上述设定的元素的重量百分比称取稀土硅铁原料，将该稀土硅铁原料机械破碎至粒度﹤5mm的颗粒；

第三步，按上述设定的元素的重量百分比，称量由上述第一步和第二步制得的各组元细料，将其搅拌均匀，由此制得用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，置于干燥处待用。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，所述钛铁合金、钒铁合金、铌铁合金和稀土硅铁原料均由供应商提供；所涉及到的设备和工艺操作方法均为本技术领域技术人员所公知的。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，其应用方法如下：

当钢液温度达到1600℃左右时，经脱氧后便采用冲熔法加入上述制得的置于干燥处待用的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，每次用量为所出钢液总重的0.3％(重量百分比)，加入后静置，浇铸。

实施例3

用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，是一种将钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按设定配比混合并再与设定配比稀土硅铁颗粒混合制得的细晶变质剂，其所含元素的重量百分比组成是：10％Ti、10％V、12.8％Nb、17％Si、10％RE和其余为Fe元素，该变质剂用以下方法制得：

第一步，按上述设定的元素的重量百分比称取的原料钛铁合金、钒铁合金和铌铁合金，利用雾化法将这些原料制备成钛铁粉、钒铁粉和铌铁粉，其工艺操作是将上述原料在电炉中加热至高于熔点150～250℃，使所有铁合金熔化，金属液自漏包自上而下向集粉器流出，在此过程中用5～8MPa的水流轰击金属液使其破碎成小液滴，小液滴快速冷却形成粉末，然后脱水，干燥，最后经筛分器筛选出400目的铁合金粉末，颗粒﹤37μm；

第二步，按上述设定的元素的重量百分比称取稀土硅铁原料，将该稀土硅铁原料机械破碎至粒度﹤5mm的颗粒；

第三步，按上述设定的元素的重量百分比，称量由上述第一步和第二步制得的各组元细料，将其搅拌均匀，由此制得用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，置于干燥处待用。

上述用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，其应用方法如下：

按铸钢原料的化学成分为重量百分比C 0.23-0.26％、Si 0.2-0.4、Mn 1.3-1.5、Cr 0.4-0.6％、Ni 0.4-0.5、Mo 0.2-0.3％、P≤0.06％、S≤0.06％和其余为Fe进行原料配比得到配料甲；将上述配料甲放入30Kg的中频感应炉内进行加热熔炼，当上述配料甲被加热到1580℃并全部熔化后，加入重量百分比为上述铸钢原料重量1％的Al进行脱氧；上述制得的置于干燥处密封保存的用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂为配料乙，按质量百分比为配料甲：配料乙＝1：0.00296进行称取配料，将按此配料比称取配料乙的放入浇包中，当感应电炉温度为1600℃，将脱氧后钢液倒入浇包，进行冲熔变质，然后进行浇铸，待铸型冷却下来开型取出试样，即为成品。

图1是采用现有技术制备的稀土合金变质处理的铸钢试样铸态杂质形貌金相图；图2是采用本实施例制备的本发明用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂处理的铸钢试样铸态杂质形貌金相图；图2与图1对比，明显显示经本实施例变质剂处理的铸钢熔渣的形貌变得更少且更加细小，分散更加均匀。

图3是用现有技术制备的稀土合金变质处理的铸钢试样调质处理后的晶粒度金相图；图4是采用本实施例制备的本发明用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂处理的铸钢试样调质处理后的晶粒度金相图；图4与图3对比，明显显示经本实施例变质剂处理的铸钢的晶粒更加细小，图3显示的晶粒度级别为8.0，图4显示的晶粒度级别达到9.5，本实施例变质剂处理的铸钢的晶粒度得到大幅提高，有利于铸钢性能的提高。

表1.本实施例制备的细晶变质剂与现有技术制备的稀土合金变质剂的应用效果对比

表1说明与现有技术制备的稀土合金变质剂相比，经本实施例制备的细晶变质剂处理的铸钢，经调制处理后性能得到全面提高，特别是冲击韧性，提高了两倍多。

上述实施例中所述钛铁合金、钒铁合金、铌铁合金和稀土硅铁原料均由供应商提供；所涉及到的设备和工艺操作方法均为本技术领域技术人员所公知的。