[发明专利]一种硅钛铝氮化材料、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅钛铝氮化材料、其制备方法及应用,尤其涉及一种为钢铁生产提供高效微氮合金化处理的含氮合金的生产方法。

背景技术

目前，氮化物有多种，如氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆、氮化锰、氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化铬铁、氮化钒铁等。

其中氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆因具有较高的熔点、硬度及耐磨性好主要用于耐火材料、耐磨颜料及耐磨机械或耐磨件等领域，其合成工艺主要包括高压烧结和常压烧结合成和自蔓延燃烧合成工艺。该类氮化物具有如下不足：①合成温度高，能耗高，尤其是电耗较高；②对原料质量要求较高，既要求原料纯度要高，又要求原料粒度分布合适；③生产周期长，单炉产量低，单位成本高；④该类氮化物熔点很高，高温稳定性好，在钢水温度下很难快速溶化而被钢水吸收，不适宜作为钢水进行氮合金化处理的氮化合金。⑤该类氮化物主要用于耐火材料、耐磨材料、机械加工如刀具和轴承等行业。

其中，氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化钒铁等氮化物可用于含氮钢进行氮合金化处理，为较为常见的氮化合金，尤其是氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化锰铁、氮化铬铁在含氮不锈钢中广泛应用。主要生产工艺包括烧结和自蔓延燃烧合成。这些含氮合金虽可作为含氮合金对钢水进行氮合金化处理，但也存在如下明显不足：①氮化硅铁、氮化硅锰铁虽然氮含量较高，但该类氮化合金熔点高，在1500-1700℃温度下溶解速率较慢，需要将钢水温度升高到1800℃甚至更高的温度，才能确保氮溶解到钢中，这样一方面造成能耗增加，吨钢耐火材料消耗增加，钢的洁净度控制困难；另一方面也导致生产工艺复杂，控制难度加大，生产效率低，吨钢制造成本增加；同时造成钢中氮含量不稳定，造成钢中氮量命中率降低，因氮未达标成为废品。

此外，氮化锰铁、氮化铬铁已经成为冶炼含氮不锈钢主要增氮合金，广泛于不锈钢生产中。具有如下不足：其熔点虽然比氮化硅铁、氮化硅锰铁低，但也在1600℃以上；另，该类氮化物含氮量一般不会超过10％，含氮量较低，冶炼含氮钢时该类合金加入量大，合金成本增加；氮化铬因含铬较高，限制了其在低铬钢中的使用。

氮化硅铁、氮化硅锰铁和氮化锰铁等合金中本身存在Mn-N和Fe-N健，加入到含锰较高的钢中，在凝固、加热、变形和冷却过程中极易生成布氏体相(Mn₄N和Fe₄N)，布氏体相为时效脆性相，其时效潜伏期不确定，因此，采用这三种常规氮化合金生产钢存在不确定的时效和脆性断裂风险。

钒氮合金其熔点不高，且在钢液温度下容易完全与铁基体互溶，在钢液凝固、加热、轧制极易析出碳氮化钒或固溶在钢中起到强化钢的重要作用，已经成为钒、氮微合金化的重要合金原料，但该合金属贵重金属和战略资源，价格昂贵、资源紧张。该氮合金在普通结构钢中作为高效强化合金，受成本压力已经成为解决提高钢的强度级别和降低生产成本的“鸡肋”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔点相对较低、氮在钢中吸收率高，钢中氮控制命中率高的硅钛铝氮化材料。

本发明的另一目的在于提供一种制备方法简单、成本低、上述硅钛铝氮化材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种应用，将本发明的硅钛铝氮化材料应用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢。

本发明的硅钛铝氮化材料的化学组成以质量％计，氮为10-35％，锰为0.1-20％，硅为20-50％，铝为0.5-15％，钛为1-30％，铁为5-35％，钒为0.2-12％，硫≤0.15％，磷≤0.15％。

本发明优选方案，

其化学组成以质量％计，氮为10-25％，锰为0.2-4％，硅为30-45％，铝为0.5-10％，钛为10-20％，铁为15-30％，钒为0.2-4.0％，硫≤0.15％，磷≤0.15％。

进一步优选的方案，

其化学组成以质量％计，氮为15-35％，锰为1-10％，硅为25-50％，铝为1-15％，钛为5-25％，铁为5-20％，钒为0.5-5％，硫≤0.12％，磷≤0.12％。

更进一步优选的方案，

其化学组成以质量％计，氮为20-35％，锰为4-15％，硅为20-45％，铝为1-8％，钛为5-20％，铁为15-35％，钒为2-12％，硫≤0.12％，磷≤0.12。

最优选的方案，

其化学组成以质量％计，氮为10-20％，锰为5-20％，硅为10-40％，铝为1-10％，钛为5-20％，铁为15-35％，钒为2-12％，硫硫≤0.12％，磷≤0.12％。