通过原子氮对钢进行双重合金化与纳米相改性的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及钢铁冶金，即，设及用原子氮对钢进行合金化和改性，原子氮与分子氮 不同，具有独有的物理化学特性-巨大的化学势和最高的能量势，在此影响下改变钢的合金 化与改性的性质，根本上改变钢的物理性质。
【背景技术】
[0002] 本发明设及钢铁冶金，即设及二次钢处理，钢在任意的冶炼设备中烙炼并转移至 诱铸桶，在那里进行设及钢的脱氧、合金化、改性和精炼的进一步的工艺操作。当前，在合金 化过程中，几乎整块钢通过利用分子氮的液相吹扫来用分子氮处理，或者通过将渗氮的铁 合金(渗氮的儘铁合金、娃铁合金、娃儘铁合金、铁铭合金等)结合氮化物形成元素 A1、Ni、V、 Ti注入烙体。通过分子氮的更高能量势得到了利用氮合金化钢的有益结果(氮具有铁的主 要合金元素-碳的10倍高的能量势），由此实现了钢的耐久性、柔性和冲击初性的增加。 611化6111〇]16.，5口6。1日1816613(译自德语），￥.1-2-]\1，]\161日1111巧7 1966，口.1242。
[0003] 尽管用含氮铁合金W及用分子氮吹扫液相钢对钢进行合金化的技术具有显著的 缺陷，在由学院科学完成的关于原子氮的能量势水平的最新研究的【背景技术】上最清楚地掲 示了它们自身。已知，在相同的溫度和压力下，原子氮在钢烙体中的饱和度高于分子氮在钢 中的饱和度的一万倍。Averin V.V.，Revyakin A.V.，化trogen in me1:als，M.Metallurgy， 1976,p.224〇
[0004] 但是，为了接受通过氮气的N2分子的解离的原子氮或含氮铁合金的氮，需要高的 能量消耗，因为其解离能为99化J/mol，且几乎等于惰性氣的解离能，运就是为何即使在 3300°C的溫度下分子氮的解离水平也不超过0.1 % sLyakishev N.P.等，Encyclopaedic dictionary on metallurgy，V.1，M.，"Intenmet Engineering",2000,p.412。
【发明内容】
[0005] 同时，考虑到含氮铁合金中的氮含量为2-8%，氮化物相(其仅由氮的原子W合金 化元素原子的合成的化学反应来形成）的量为不显著的值。含氮铁合金的生产费用非常巨 大，因为它们的生产工艺的基础为相对惰性的扩散过程，需要大量高溫和高压形式的能源 消耗。运就是使用含氮铁合金的效能不超过其生产费用的原因。目前，用氮气吹扫合金的工 艺的大规模应用的适用性引起了甚至更多的问题。因为在该工艺期间原子氮W非显著的量 解离，并且不与氮化物相结合的氮W分子状态转变进入到钢的固溶体中，运最终导致金属 的劣化。因此，使用氮气吹扫钢的工艺的应用可能是唯一可选择性的选择。
[0006] 本申请方法的基础的目标在于开发一项工艺，其确保了如下的技术突破:钢的物 理质量的显著增加，特别是提高钢的耐久性1.5-2.0倍W及冲击初性2-3倍，钢制品的消费 品质的增加，金属结构的重量减少20-25 %，结构和机械减少15-20 %，提高它们的抗冷性 至-65°C。确保了可大规模地生产在焊接期间具有良好可焊性而HAZ未软化的高耐久的纳米 结构的钢，包括薄钢板和电枢。在钢的生成中，减少合金化元素的大量消耗，包括减少60 % 的含儘物质中的儘消耗量和50%的含儀钢中的儀消耗量。对于钢的生产，实现非常显著的 质量提高W及费用降低只能够通过钢生产的现有工艺流程的重大变化来实现，包括，首先， 钢的合金化工艺的变化(运是最耗成本的），还有最主要和起决定性作用的是钢的质量和物 理性质的形成过程。因此，在本发明申请中，申请人解决了改变钢的合金化与改性工艺的目 标，其不是通过使用昂贵材料来完善合金化的传统形式（包括应用甚至更昂贵的稀±元 素），而是通过改变钢的合金化与改性的物理-化学工艺，运改变了合金化与改性的真正性 质。由于运个原因，在钢的合金化与改性的新工艺的应用中，提供了原子氮作为主要的合金 化元素，因为其具有独特的物理-化学性质(最高的能量势和巨大的化学势），运与已知且广 泛使用的利用含氮的铁合金W及利用氮气吹扫钢烙体来合金化钢的工艺不同（其中，运两 种情况下氮都处于分子状态KGudremon E.，Special steels(译自德语），V.l-2-M， Metallu;rgy 1966，p. 1242。
[0007] 原子氮的优点及其能量势的最高水平在俄罗斯科学院的工作中被确认，其在1960 年被发现，即在相同的压力和溫度下，原子氮在钢烙体中的饱和度超过分子氮的该指标的 一万倍。Averin V.V.'RevyakinA.V.'Nitrogen in metals,M.Metallurgy, 1976，p.224。然 而，在真正实现时，甚至在钢烙体的约1650°C的溫度下利用原子氮的钢的合金化的实验性 工艺被证明是不可能的。原因在于，在含氮物质与钢烙体接触期间，该物质的解离过程伴随 着剧烈的过程，如同爆炸，释放原子氮和气态成分，运导致钢烙体溢出诱铸桶。工程上解决 运一问题的方案在于如下事实:第一，使用最合适的含氮物质尿素(NH2)2C0,其具有46.6% 的高含氮量和174°C的解离溫度，其在解离过程中发出大量原子氮-2.4m^kg及其的其它化 合物。第二，由于建立和实施微分方案(differentiated scheme)时根据尿素投入钢烙体的 量和速率，其将解离的爆炸性过程转换成高强度的氮化物纳米相的自蔓延合成。微分方案 的基准值为:限定尿素投入量的数量标准为0.4-1.4kg/吨钢，且进入速度为5.0-8.0kg/吨， 其取决于合金溫度。运允许有不同方法将尿素投入钢烙体。钢烙体中形成的原子氮将钢合 金化过程转变为双重过程，运两类过程并行地发生。合金化的一种类型为:位错过程，其是 原子氮的物理性质(其高能量势）的结果，在其作用下原子氮被注入到铁晶体的原子间空间 中，引起铁原子的相互排列的变化，运导致立方形的铁晶体的位错(旋转位移)并伴随其尺 寸的变化。在晶体表面上原子相互排列的经改性的平面的数量和密度W及它们的线密度 (其被称为位错，用Burger矢量描述表征)根本上改变了钢的物理性质。Lyakishev N.P.等， Encyclopaedic dictionary on metallurgy，V. 1，M.，（'Intenmet Engineering，，，2000， P.412。
[0008] 第二类新的钢合金化过程是原子氮的化学性质(其巨大的化学势）的结果，在钢烙 体1650°C的溫度下，作为强劲的催化剂，引起合金化元素的氮化物纳米相的自蔓延合成的 强烈