[發(fā)明專利]一種在普碳鋼中形成Ti5O9納米顆粒的制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310409437.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-10
• 公開（公告）號(hào): CN103484762A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王自東;湯浩;陳曉華;仇麗麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C38/14
• 分類號(hào): C22C38/14;C22C33/04;C21C7/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋼鐵材料領(lǐng)域，涉及一種在普碳鋼中形成Ti₅O₉納米顆粒的制備方法。

背景技術(shù)

納米塊狀金屬材料具有很高的強(qiáng)度，但是它的延伸率低，納米顆粒彌散強(qiáng)化的金屬材料可在保持合金延伸率的情況下，將合金的強(qiáng)度大幅度提高，其強(qiáng)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)上所使用的微米級(jí)和亞微米級(jí)的第二相粒子彌散強(qiáng)化，納米彌散相強(qiáng)化鋼鐵的研究成為近年來的熱點(diǎn)。納米強(qiáng)化不但可大幅度提高結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度，還可以提高高溫合金的高溫蠕變性能。納米強(qiáng)化技術(shù)對(duì)于汽車行業(yè)、船舶行業(yè)、電力行業(yè)等廣泛領(lǐng)域用鋼具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

在鋼鐵中形成納米強(qiáng)化，近年來報(bào)道的方法主要有：MA/ODS法、變形熱處理法。MA/ODS法是應(yīng)用機(jī)械合金化等過程制得含納米氧化物團(tuán)簇Ti-Y-O彌散強(qiáng)化的鐵素體合金，使用的原料是經(jīng)預(yù)合金化的金屬粉末和Y₂O₃粉，利用高能球磨進(jìn)行機(jī)械合金化，然后經(jīng)熱擠壓及后續(xù)的加工過程而制備。這種方法首次推出是在上個(gè)世紀(jì)60年代，由于這種材料具有很好的高溫性能，目前仍是研究的熱點(diǎn)。利用粉末冶金的機(jī)械合金化法制備，普遍認(rèn)為過程復(fù)雜、成本高。另一種方法是熱變形處理TMT(Thermomechanical?Treatment)，對(duì)含N的鋼進(jìn)行TMT處理，可獲得高分布密度納米級(jí)富含V、Nb的氮化物或碳氮化物彌散析出。例如成份為Fe-9.0Cr-1.0Mo-0.20V-0.07Nb-0.05N-0.10C含N鋼加工步驟[R?L?Klueh,N?Hashimoto,P?J?Maziasz.Development?of?new?nano-particle-strengthened?martensitic?steels，Scripta?Materialia，2005，53：275–280]可描述為：將鋼加熱到1000-1400℃保溫1-5小時(shí)進(jìn)行奧氏體化處理，然后冷卻到600-1000℃熱軋，變形量達(dá)20-50%，緊接著在熱軋溫度下退火0-4小時(shí)，最后冷卻到室溫，在冷卻過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。TMT處理過程中通過熱鍛、熱軋等變形手段形成了大量的位錯(cuò)和空位，在后續(xù)的熱處理過程中，有利于納米彌散相的析出。對(duì)低碳鋼進(jìn)行大形變量的塑性變形，并進(jìn)行時(shí)效熱處理，如文獻(xiàn)[Dong?Hyuk?Shin,Kyung-Tae?Park,Yong-Seog?Kim.Formation?of?fine?cementite?precipitates?in?an?ultra-fine?grained?low?carbon?steel，Scripta?Materialia,2003,48:469–47]報(bào)道在420-600℃保溫1-24h，可形成鐵碳析出物或滲碳體。

目前鋼中的納米級(jí)強(qiáng)化相均是通過塑性變形，通過熱處理獲得的，且主要是碳化物或氮化物。而直接通過合金熔煉在鋼的凝固組織中獲得原位析出的納米彌散氧化物強(qiáng)化相，還鮮見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是在合金熔煉時(shí)加入納米強(qiáng)化相的形成元素，在鋼液中制備穩(wěn)定的納米Ti₅O₉顆粒，在凝固后最終獲得納米顆粒彌散強(qiáng)化的鋼合金。

發(fā)明人近些年來，對(duì)合金凝固過程中納米相的析出，進(jìn)行了深入的基礎(chǔ)研究，部分研究結(jié)果見[Zidong?Wang,Xuewen?Wang,Qiangsong?Wang,I?Shih?and?J?J?Xu.Fabrication?of?a?nanocomposite?from?in?situ?iron?nanoparticle?reinforced?copper?alloy，Nanotechnology，2009，20：075605]。我們得到的初步結(jié)論是：1）高熔點(diǎn)析出相原子溶解在低熔點(diǎn)金屬中形成的合金熔體，其溶解度隨著溫度降低而降低，在從澆注溫度到凝固溫度，相對(duì)析出相的熔點(diǎn)，析出相獲得了很大過冷度，形核半徑極小，可以形成納米級(jí)的析出顆粒；2）熔體中的高熔點(diǎn)析出相原子濃度不能過高，避免納米顆粒長大；3）在熔體的壓力場和流場的作用下，避免了納米顆粒長大，這樣在凝固過程中即可獲得穩(wěn)定的納米析出相，減少和避免合金組織中粗大析出相的形成。

應(yīng)用這一理論基礎(chǔ)，我們?cè)阡摰哪探M織中獲得了彌散分布的納米Ti₅O₉顆粒。