[發(fā)明專利]一種鋁硼鉻氮鐵合金及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210465915.4
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114990420B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳光亮;吳昊天;肖業(yè)明
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙東鑫環(huán)保材料有限責(zé)任公司;中南大學(xué)
• 主分類號: C22C35/00
• 分類號: C22C35/00;C22C29/16;C22C1/056
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鐘丹

本發(fā)明公開了一種鋁硼鉻氮鐵合金及其制備方法和應(yīng)用，所述鋁硼鉻氮鐵合金，以鉻、鋁為基，硼、鐵、氮元素作為輔助元素的氮化產(chǎn)品，它們組成5元氮化物相體系，是在鉻?鋁?氮三元相圖基礎(chǔ)上，通過添加硼、鐵等元素，形成Gr?Al?N?B?Fe組成的5元相圖，可用于高強度級別氮合金化鋼的生產(chǎn)，其組織為鐵素體+珠光體+貝氏體的多相組織，如Rel≥700Mpa強度級別的鋼材，本發(fā)明所提供的鋁硼鉻氮鐵合金，熔點在1480?1520℃之間，正好處于高強鋼的凝固點附近，密度在4.5?5.6t/m³之間，作為煉鋼冶煉增氮劑，氮在鋼中吸收率超過78％，鋼中氮控制命中率可達(dá)100％，節(jié)約鋼鐵生產(chǎn)成本15?100元/噸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，涉及一種鋁硼鉻氮鐵合金及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

長期以來，氮含量偏高會造成鋼產(chǎn)生時效藍(lán)脆、“紅熱脆性”、“冷脆”、氣泡或疏松等缺陷，也會降低鋼的成形性，因此，在大多數(shù)鋼種中均為有害元素，鋼鐵工作者一直致力于如何在鋼鐵制備過程中將氮從鋼中去除，以規(guī)避其給鋼鐵材料帶來的有害作用。氮為自然界儲存較為豐富且廉價的元素，可謂“取之不盡用之不竭”，氮對鋼具有提高強度、擴大奧氏體區(qū)、細(xì)化晶粒、提高耐蝕性及減少鎳和釩等貴重金屬用量等有益作用。隨著鋼鐵工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，氮作為合金元素在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，要使氮成為鋼的微合金化元素，必須將氮在鋼中的有益作用發(fā)揮出來，同時，將氮在鋼中的有害弊端最大限度地抑制住。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，最重要是①鋼中氮含量窄范圍精確控制；②氮在成品鋼材中存在形態(tài)，必須使超過85％的氮以析出狀態(tài)存在于鋼的微觀結(jié)構(gòu)中。要實現(xiàn)鋼中氮含量的精確窄成分范圍控制，關(guān)鍵技術(shù)是氮微合金化方式及氮化合金選擇。而其中的技術(shù)瓶頸是適應(yīng)較寬鋼種范圍、便于微合金化元素氮含量窄成分范圍控制、有利于最終超85％微合金化氮元素以析出狀態(tài)存在鋼微觀結(jié)構(gòu)中的氮化合金品種。

目前，氮化物有多種，如氮化硅、氮化鋁、氮化硼、氮化鈦、氮化鋯、氮化錳、氮化硅鐵、氮化硅錳鐵、氮化鉻鐵、氮化釩鐵等，但真正滿足上述要求、能作為氮合金化的氮化物很少。氮化硅、氮化鋁、氮化硼、氮化鈦、氮化鋯因具有較高的熔點、硬度及耐磨性好主要用于耐火材料、耐磨顏料及耐磨機械或耐磨件等領(lǐng)域，合成工藝主要包括高壓燒結(jié)和常壓燒結(jié)合成和自蔓延燃燒合成工藝。該類氮化物具有如下不足：①合成溫度高，能耗高，尤其是電耗較高；②對原料質(zhì)量要求較高，既要求原料純度要高，又要求原料粒度分布合適；③生產(chǎn)周期長，單爐產(chǎn)量低，單位成本高；④該類氮化物熔點很高，高溫穩(wěn)定性好，在鋼水溫度下很難快速溶化而被鋼水吸收，不適宜作為鋼水進(jìn)行氮合金化處理的氮化合金。⑤該類氮化物主要用于耐火材料、耐磨材料、機械加工如刀具和軸承等行業(yè)。其中，氮化硅鐵、氮化硅錳鐵、氮化錳鐵、氮化鉻鐵、氮化釩鐵等氮化物可用于含氮鋼進(jìn)行氮合金化處理，為較為常見的氮化合金，尤其是氮化硅鐵、氮化硅錳鐵、氮化錳鐵、氮化鉻鐵在含氮不銹鋼中廣泛應(yīng)用。主要生產(chǎn)工藝包括燒結(jié)和自蔓延燃燒合成。這些含氮合金雖可作為含氮合金對鋼水進(jìn)行氮合金化處理，但也存在如下明顯不足：①氮化硅鐵、氮化硅錳鐵雖然氮含量較高，但該類氮化合金熔點高，在1500-1700℃溫度下溶解速率較慢，需要將鋼水溫度升高到1800℃甚至更高的溫度，才能確保氮溶解到鋼中，這樣一方面造成能耗增加，噸鋼耐火材料消耗增加，鋼的潔凈度控制困難；另一方面也導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜，控制難度加大，生產(chǎn)效率低，噸鋼制造成本增加；同時造成鋼中氮含量不穩(wěn)定，造成鋼中氮量命中率降低，因氮未達(dá)標(biāo)成為廢品。此外，氮化錳鐵、氮化鉻鐵已經(jīng)成為冶煉含氮不銹鋼主要增氮合金，廣泛于不銹鋼生產(chǎn)中。具有如下不足：其熔點雖然比氮化硅鐵、氮化硅錳鐵低，但也在1600℃以上；另外，該類氮化物含氮量一般不會超過10％，含氮量較低，冶煉含氮鋼時該類合金加入量大，合金成本增加；氮化鉻因含鉻較高，限制了其在低鉻鋼中的使用。氮化硅鐵、氮化硅錳鐵和氮化錳鐵等合金中本身存在Mn-N和Fe-N健，加入到含錳較高的鋼中，在凝固、加熱、變形和冷卻過程中極易生成布氏體相(Mn₄N和Fe₄N)，布氏體相為時效脆性相，其時效潛伏期不確定，因此，采用這三種常規(guī)氮化合金生產(chǎn)鋼存在不確定的時效和脆性斷裂風(fēng)險。釩氮合金其熔點不高，且在鋼液溫度下容易完全與鐵基體互溶，在鋼液凝固、加熱、軋制極易析出碳氮化釩或固溶在鋼中起到強化鋼的重要作用，已經(jīng)成為釩、氮微合金化的重要合金原料，但該合金屬貴重金屬和戰(zhàn)略資源，價格昂貴、資源緊張。該氮合金在普通結(jié)構(gòu)鋼中作為高效強化合金，受成本壓力已經(jīng)成為解決提高鋼的強度級別和降低生產(chǎn)成本的“雞肋”。