[發(fā)明專利]一種制備原位納米顆粒強化Q195鋼的方法

有效

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• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103495720A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設計）人: 王自東;湯浩;陳曉華;曾新建
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22D27/20
• 分類號: B22D27/20;B22D27/08;B22D27/13;B22D13/00;C21C7/072
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發(fā)明屬于鋼鐵材料領域，涉及一種制備原位納米顆粒強化Q195鋼的方法。

背景技術

鋼鐵材料已經使用了上千年，但是長期以來，人們主要使用的是鐵素體加珠光體鋼，這種鋼強度較低，鋼中含碳量較高，組織類型比較簡單。國內外大量研究表明，在這類鋼中，即使加入了一定量合金元素，或采用了像應變誘導相變等使鐵素體晶粒超細化技術，若要保證鋼材強度、塑性、韌性、可加工性等綜合性能，其實際可以使用的屈服強度最高也只能在500MPa左右。當需要更高強度級別的鋼材時，傳統(tǒng)的辦法只能是使用回火馬氏體調質鋼，這類剛中需要加入較高的合金量以保證淬透性，造成鋼種的成本大幅度增加，貴重合金資源的大量消耗，同時生產過程長，工藝設備投入增多，能耗明顯加大。鋼種經調質后雖然強度可達500—1000MPa，綜合力學性能也可適當調整，但鋼種的焊接性能較差。為了解決既要高強韌性和高可焊接性，又要滿足節(jié)約資源，降低成本和節(jié)能環(huán)保等要求，迫切需要對鋼種的基體組織本身進行改造，發(fā)展出新一代鋼鐵材料。

發(fā)明內容

本發(fā)明目的是在合金熔煉時加入納米強化相的形成元素，在Q195鋼液中制備穩(wěn)定的原位析出的納米顆粒，利用這些原位納米析出相來增加鋼的強度同時不大幅犧牲其塑韌性。以此為基礎來發(fā)展出新一代鋼鐵材料。

發(fā)明人近些年來，對合金凝固過程中納米相的析出，進行了深入的基礎研究，部分研究結果見[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]。我們得到的初步結論是：1）高熔點析出相原子溶解在低熔點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，相對析出相的熔點，析出相獲得了很大過冷度，形核半徑極小，可以形成納米級的析出顆粒；2）熔體中的高熔點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。前面兩條為形成納米析出相的合金成分設計提供了理論基礎，后面一條為在鋼液中或在凝固組織中制備納米顆粒的技術提供了理論支撐。

一種納米顆粒在鋼液中制備方法，首先是制備含納米析出相元素的鋼合金熔體，其主要特色是在熔煉和澆注的過程中，在容器中施加壓力形成壓力場，在熔體中施加離心力（離心鑄造）或電磁攪拌，形成流場，促使金屬液流動，抑制析出相長大，避免粗大析出相形成，形成納米強化的鋼合金。鑄造過程中，熔體形成流動，熔體的線流動速度不低于1.7m/s；熔體中含有高于基體合金熔點的析出相氧化鈦的合金元素Ti、O，隨著溫度下降Ti、O溶解度下降，形成納米氧化鈦析出相的鑄造合金。

合金化學成份（質量百分比）：C≤0.12wt.%，Mn≤0.50wt.%，Si≤0.30wt.%，S≤0.040wt.%，P≤0.035wt.%，0.03～0.50wt.%Ti。

本發(fā)明的具體工藝過程：

1）利用真空熔煉、電弧熔煉等加熱方式，將鋼合金加熱溶化；

2）合金熔煉是在氮氣氣氛下進行的；

3）鋼全部熔化后，再過熱50～100℃，待液面穩(wěn)定后，加入0.03-0.50wt.%Ti絲，其直徑為Ф0.1—3mm；

4）在0.01～0.5MPa氮氣壓力下，進行熔煉；

5）在0.01～0.5MPa氮氣壓力下，采用離心澆注、或在電磁攪拌情況下進行澆鑄，在澆注凝固過程中金屬液流動的線速度不低于1.7m/s；金屬液在鑄型中的壓力0.01～1MPa；

6）鑄型可為砂型、溶模殼型、金屬型；

7）金屬完全凝固后，停止壓力場和流場等外力作用；

8）后續(xù)進行控軋控冷，取樣進行組織、性能分析。