[发明专利]一种使钢中外加纳米粒子均匀弥散的方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，提供了一种向钢液中添加纳米粒子，并使之均匀弥散在钢中的方法。

背景技术

随着科学和生产技术的发展，对钢材质量的要求越来越高，要求进一步提高钢的强度、韧性、延展性、加工性能以及使用寿命。钢中细小的第二相粒子在凝固结晶及热加工过程中对钢的组织起到一定的细化作用，能够提高钢的综合力学性能。

目前工业上获得细小第二相粒子主要是通过高纯净化、微合金化以及控轧控冷相结合的方式，在钢材内部形成合适的粒子，但是准确控制内部生成粒子的种类、尺寸非常困难。外部添加法获得第二相粒子对钢液纯净度的要求并不高，且其过程较易控制，并对细化原本的奥氏体晶粒以及后期的延轧、热处理等加工过程都有作用，因此，向钢中添加第二相粒子的新思路具有一定的现实意义。外加粒子的尺寸一般为纳米级，纳米粒子比表面积大、反应活性高，加入到高温的钢液中很容易发生反应和团聚，如何将纳米粒子加到钢水中并使之发生弥散，是目前外加法获得第二相粒子面临的技术难题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明提供了一种向钢液中添加纳米粒子的操作方法，通过对操作过程的各个环节进行合理控制，尤其是对各个环节的操作时间进行控制，可以实现纳米粒子在钢中弥散分布而不发生明显团聚。

2.技术方案

本发明提供的一种向钢液中添加纳米粒子的操作方法包括以下内容：

(1)按一定的质量百分比分别称取高熔点氧化物或氮化物纳米粒子和合金纳米粉，将两者混合后通过真空条件下的高剪切混匀分散机进行分散，转数控制在1400rpm/min，混匀时间持续24小时；

(2)称取一定量的混合纳米粉剂，利用手动式液压制样机将粉剂压成块状，压制压力指针指向6～8Mpa后卸压拿出混合粉块；

(3)将混合粉块用锡纸包裹，并固定在一根钼棒的端部备用；

(4)称取一定质量的重熔钢块，放入坩埚后置于高温管式电阻炉内，通电加热，待温度上升至600℃后，开始向管式炉内通入氩气驱赶炉膛内空气，并作为重熔过程中的保护气体，防止钢液吸氧吸氮。当管式炉温度到达1600℃后，保持在该温度。整个加热过程中，管式炉炉口均有耐火砖密封；

(5)待坩埚内的重熔钢块完全熔化成清澈见底且具有流动性的钢液后，增大氩气通气量，将固定有混合粉块的钼棒一端迅速插入到钢液底部，快速搅拌，并将部分浮到钢液表面的块状或粉状料用钼棒搅拌使其重新进入钢液，此过程不超过15s，最后用耐火砖密封炉口；

(6)之后，每间隔2～3min，用钼棒伸入钢液底部搅拌一次，每次搅拌不超过10s，该操作循环3～5次；

(7)上述操作完成后，再等待10～15min，最后用坩埚钳将坩埚夹出进行水冷。水冷时将坩埚下半部分先浸入到水中，可观察到澄清的钢液迅速变得浑浊，当看到钢液与空气接触的表面产生一层固相膜时，再将坩埚完全浸入水中，直至钢液完全凝固成钢锭。

所述高熔点氧化物或氮化物纳米粒子和合金纳米粉的质量百分比为1：8～1：10。

所述高熔点氧化物或氮化物纳米粒子为MgO纳米粉、Al₂O₃纳米粉、Ce₂O₃纳米粉和TiN纳米粉中的一种，且粒子平均粒度均≦25nm。

所述合金纳米粉为对钢液成分无污染的低熔点AlSi合金纳米粉、SiMn合金纳米粉、NiFe合金纳米粉中的一种，本研究中选择AlSi合金纳米粉，Al和Si质量比为3：1，平均粒度≦25nm。由于Al、Si均为钢中常见的脱氧元素，因此选择该种合金对钢液污染性小。

3.技术效果

与现有的同类技术相对比，本发明的优点体现在：

(1)前人研究中大多用微米级甚至目级的粉剂作为纳米粒子的分散剂，微米级的粒子之间的缝隙一般都在微米或微米以上，这样使纳米级的粒子在其中相遇并团聚成微米级粒子。本发明中使用与纳米粒子尺寸相当的20nm左右的合金纳米粉作为分散介质，经混匀分散机处理后，可使两者达到真正意义上的混匀，即每一颗纳米粒子，或者团聚后仍处于纳米尺寸的粒子，均被周围与其单颗粒尺寸相当的合金纳米颗粒包围，压块之后，纳米粒子彼此间距仍然较大，达到真正预分散效果；