[發明專利]一種納米材料中間合金變質劑及制備方法與合金制備方法

有效

• 申請號: 201210218509.4
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN102732740A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 周平安;張芬紅;黃勁松
• 申請（專利權）人: 北京京奧泰爾新材料科技有限公司
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22C1/10;C22C35/00;C22C33/06
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 任默聞

技術領域

本發明是關于冶金技術領域，尤其是關于鋼鐵和有色金屬合金技術領域，具體來說是關于一種納米材料中間合金變質劑及制備方法與合金制備方法。

背景技術

目前隨著我國鋼產量的不斷加大，隨之而來的高能耗和高污染問題也日趨嚴重，面對這樣的趨勢，如何在保持現有鋼產量的基礎上，努力提高鋼的性能，成為了當前業界研究的方向。

為提高金屬材料的性能和強度，各國均進行了新一代鋼材的開發，目前國內外所開發超細晶粒鋼具有高強度、耐腐蝕、可焊接等特點，但這類鋼材的生產工藝較為復雜，需要對工藝過程進行精確控制，超出了鋼廠現有的生產能力，并且使生產成本顯著提高。

目前在冶金行業，通常在鋼鐵和有色合金液中加入各種孕育劑、球化劑、凈化劑以及稀土變質劑來實現鋼鐵和有色金屬的強制和最終脫氧、純凈鋼鐵和有色合金液體、形成和增加結晶核心、改變凝固后石墨或基體組織形態等作用。其中變質劑是指為改善材料組織和性能在鋼鐵或有色合金液體中加入含一種或多種微量元素和合金的添加劑。

現有的各種變質劑基本可分為三大類：一類是以各種合金成分為主體的添加劑。如以Si-Fe粉為主體的灰口鑄鐵中的孕育劑；以Si-Ca和Na、K粉等為主體的凈化劑等。它們在鋼鐵液體中能在一定程度上起到改變石墨形狀、細化晶粒、凈化鋼鐵液以及改變組織的作用；第二類變質劑主要是以各種稀土元素（Re）為主體的添加劑（Ce、La等）。比較常用的如稀土鎂球化劑、各種以輕、重稀土元素或混合物為主體的變質劑也已經在工業中得到應用，它們可以使鑄鐵中的石墨球化或使鋼中的組織形態發生改變，從而達到改善鋼鐵材料性能的目的。這類孕育劑、球化劑或變質劑一般加入量較多，顆粒尺寸也較大(毫米或厘米級)，混合和制備方法比較簡單；在加入到鋼鐵液體中之前需要預熱和烘烤；在加入時或加入后必須攪拌或采用專用的處理設備才能保證均勻分布。另外，它們在鋼鐵液體中所起的作用比較有限和單一，例如，孕育劑和球化劑主要是對石墨細化和改變形態起作用，凈化劑主要是起脫氧和凈化鋼水作用，對材料的延性和韌度有所改善，一般不起強化作用。因此，其應用范圍比較狹窄，變質劑的品種也較少。

近年來，納米材料在許多科學領域中逐漸得到了重視和應用，納米材料是由納米量級的納米粒子組成的固體材料，其顆粒大小一般不超過50nm（納米），1nm=10^-9mm（毫米），具有許多特殊的性能，如韌性高，耐磨性高等，具有廣泛的應用前景。納米材料（TiN、SiC、TiC等）分散尺寸極細、有較高硬度并有巨大表面能。納米變質劑打破了鋼鐵耐磨材料生產中的一些常規規律。通常，在鋼鐵耐磨材料強化過程中提高硬度必然伴隨韌性下降，但由于納米合金變質劑的高表面活性以及它在細化晶粒過程中同時起到彌散硬化作用，所以經常能夠達到同時提高合金硬度及韌性的綜合效果。

由于納米材料具有高硬度、耐高溫、粒度小（小于50nm）、表面能大、分散性好和表面ZETA電位低（-18.0mv）等特點，與金屬具有更好的結合力，具有比一般變質劑更強的細化晶粒和彌散強化作用，可明顯改變金屬基體和碳化物等組織結構。因此，這種變質劑和這項技術可以大幅度的提高鋼鐵和有色合金材料的硬度、強度和延性及韌度，從而大大改善原有鋼鐵材料的品質并降低稀有和貴重元素的含量，或減少、從簡原有熱處理工藝，大大降低生產成本。

由于納米材料的細小和活性，如何將納米粒子加入到鋼鐵材料液體中的始終是一個非常困難的課題，對納米材料的應用一直受到一定的制約。

金屬基納米復合材料（Metal?matrix?nanocom-posites，MMNCS）就是將納米顆粒融合到金屬基體中，使納米粒子與金屬基體緊密結合，提高金屬基體的性能，如在鋼中加入非金屬納米粉，能大量增加鋼液中的外來異質核心，起到彌散化的作用，大大提高鋼的性能，改善鋼的質量。目前國內外均針對金屬及納米復合材料及其制備工藝進行開發，目前的主要方法有：機械合金化法（Mechanical?alloying，MA）、熔融紡絲法（Meltspun，MS）、粉末冶金法（Powder?metallurgy，PM）、機械誘發自蔓延高溫合成反應法（Self-propagatinghigh-temperature?synthesis，SHS）、真空蒸發惰性氣體凝聚及真空原位加壓法（Inert?gas?con-densation?method?combined?with?vacuum?co-evaporation?andin-situ?compaction，ICVCSC）等。