[发明专利]一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于合金材料领域，更具体地说，涉及一种多元素氮化合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

氮化合金是在钢铁冶炼过程中使用较广泛的一种合金，在当今的钢铁生产中，为了提高钢材的强度，需要在炼钢的过程中加入钒铁或铌铁等合金通过微合金化来达到这种效果。为了充分发挥钒、铌的微合金强化作用，一般都需要在炼钢时加入适量的氮化合金，与微合金元素铌、钒形成强的碳氮化物，提高微合金元素的析出强化和沉淀强化作用。因此在钢铁冶炼中，氮化合金的使用是较广泛的。目前氮化合金均以单一元素与氮反应结合生成氮化合金，如氮化钒、氮化硅、氮化锰、氮化钛、氮化铬、氮化硼、氮化铌等氮化合金，冶金方面，生产高强度、耐磨、耐蚀等特殊性能要求的钢种时，通常采用钢水微合金化技术，如生产高强度耐蚀钢时，通常在合适的炼钢工艺下分别配加单一元素氮化合金，但上述方法存在以下几点突出的问题，一是合金有效利用率低，二是多品种单一元素氮化合金的配加时间和加入顺序及加入量比，对炼钢工艺的设计和实施提出了苛刻要求，三是对钢性能的强化效果不充分、不稳定，四是使用成本高。中国专利申请号为201110353305.7，申请公布日为2012年4月11日的专利申请文件公开了用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金及其生产工艺，按金属硅30-80％，单晶硅0.5-20％，多晶硅0.5-30％，钒合金或金属钒0.5-5％，铌合金或金属铌0-10％及铁10-35％混合在真空氮化炉中，在微波场以及氮气条件下，在800-1450℃进行保温，然后降温到700-900℃保温，随炉冷却后磨成细粉加入活性剂，或成型为固体颗粒后进入氩气保护活化炉内处理，冷却，但是该发明存在以下不足之处：(1)选配料不合理，金属硅或单晶硅或多晶硅与氮化合的效果远不如硅铁与氮化合的效果好，其成本却成倍增加；(2)加入10～35％单纯的铁，在该工艺条件下几乎没有氮化效果，金属铌或铌合金在该工艺条件下氮化效果也很差；(3)设备选型存在不确定性，真空氮化炉一般都是对钢铁成品件或陶瓷类成品件进行表面渗氮处理。用于上述原材料与氮进行化合是否可行不确定。中国专利申请号为201210377151.X，申请公布日为2012年12月19日的专利申请文件公开了一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，它包括有线芯和包覆钢带，其技术要点在于：包芯线的线芯由增钒剂、增氮剂和脱氧固氮剂三部分组成，各组分的粒度小于6mm，增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒；增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙；脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由它们组成的合金，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种，但是该发明存在以下不足之处：(1)钒铁、氮化钒铁、五氧化二钒是其结构和性质完全不同的物质，如V₂O₅是V的氧化物，加入钢中将成为一种氧化物夹杂对钢质不起任何强化作用；(2)脱氧固氮剂是以分散颗粒状与其它材料用钢带包成包芯线，在加入钢水过程中因其各物质的熔点和比重的差别，它们几乎结合不到一起，其中脱氧剂优先与钢中氧结合而形成脱氧产物变成钢中夹杂。

单元素氮化合金在实际应用中主要存在的问题：一是单元素氮化合金对钢水强化效果不能充分发挥，合金消耗成本高；二是一种或几种单元素氮化合金以颗粒状或块状分散加入，导致钢水微合金化工艺控制难，强化效果不稳定，目标钢种命中率低。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有单一元素氮化合金在钢水微合金化中的有效利用率低，微合金化工艺时间长且复杂，对钢性能强化效果不充分不稳定，以及综合使用成本高的问题，本发明提供一种多元素氮化合金及其制备方法和应用，其能使有效利用率提高，优化微合金化工艺，对钢性能强化效果充分且稳定，综合使用成本降低。本发明针对上述存在的问题：一是选择V、Ti、B、Nb几种强化效果较优的元素和Si、Mn、Cr与N化合其含N容量高的元素，一起进行氮化处理，以期得到多元素氮化合金；二是上述所选元素合理配比的设计、筛选和优化，宗旨是提高氮化合金的性价比、强化效果和工艺稳定性；三是试验和选择多元素氮化合金的制备方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：