[发明专利]铁基材料中的晶粒细化

说明书

一种制造铁基合金的方法，其包括在熔体中形成目标细氧化物和/或碳化物分散体，和继续在所述分散体上沉淀用于等轴晶粒的异相成核的过渡金属氮化物。具有高度等轴的细晶粒结构的铁基铸造合金。

发明领域

本发明涉及细化铁基材料，如铸造奥氏体不锈钢、白铁、非不锈钢、低合金钢和其它铁基材料的晶粒结构。

背景

初级晶粒的尺寸和形态对各种铁基材料，如奥氏体级不锈钢的物理化学和机械性质特别重要。奥氏体级不锈钢的典型铸造宏观结构由通过从外部冷却的铸造表面生长的细长树枝状晶体(elongated dendrite crystals)形成的柱状区域和具有等轴(equiaxed)晶粒的内部区域构成。等轴结构与柱状结构的比率可以例如为10:90至55:45级，例如10至55体积％等轴结构。

铁基材料中的铸造结构的晶粒细化(grain refinement)是用于(i)降低晶粒内的组成微偏析(segregation)，(ii)降低整个铸件内的合金元素的大规模宏观偏析，和(iii)控制晶粒边界的结构和组成的重要工具。一般而言，与大柱状晶粒相比，细等轴晶粒结构会导致在热处理中的更均匀响应，降低的各向异性和更好的性质。细化结构改进合金强度和延性。在高合金钢中，细等轴晶粒结构的均匀性比具有细长树枝状晶体的柱状区域更好。这样的铸件表现出降低的不合意特征(如微孔和非金属夹杂物)的簇集(clustering)。小等轴晶粒结构也优选，因为其有助于抗热裂性。

奥氏体不锈钢和其它合金中的一种晶粒细化方法此前是将事先存在的粒子引入熔体中。目标是使固体粒子分散在液态熔融金属各处，以在该金属固化时，其固化机制偏向于形成在该金属各处引发的晶粒而非形成从模具侧壁引发的晶粒。这种晶粒细化法提出各种挑战，即必须形成事先存在的粒子并且并入所谓的母合金中，然后将母合金并入整个熔体中。母合金改变熔体的总组成，因此需要小心控制以避免将熔体组成推出其规定的组成范围。母合金还需要额外的能量熔融，因此需要提高整个熔体的温度。

发明概述

因此，简言之，本发明涉及一种制造铁基合金的方法，其依序包括，将含铁材料供入熔炼炉和将所述含铁材料熔化成熔融金属；将元素引入所述熔融金属以与所述熔融金属中的溶解氧和/或碳反应以在所述熔融金属中形成目标细氧化物和/或碳化物分散体；使所述熔融金属保持在所述熔融金属的液相线温度以上的温度和将一种或多种金属晶粒细化剂元素引入所述熔融金属以沉淀所述金属晶粒细化剂元素的金属氮化物以产生含有所述金属氮化物的熔融金属；和将其中含有所述金属氮化物的熔融金属冷却至所述熔融金属的固相线温度以下的温度以形成固化铁基合金。

在另一方面中，本发明涉及通过这种方法制成的合金。

附图简述

图1是用于预测将0.2重量％Ti添加到钢中的沉淀物形成的相图。

图2是用于预测将0.2重量％Zr添加到钢中的沉淀物形成的相图。

图3是用于预测将0.2重量％Hf添加到钢中的沉淀物形成的相图。

图4是用于预测将0.2重量％Nb添加到钢中的沉淀物形成的相图。

图5至8是用于预测根据下列实施例2的沉淀物形成的相图。

图9是以水平截面显示下列实施例2和3中的炉次(heating)B的微结构的照片。

图10是以垂直截面显示下列实施例2和3中的炉次B的微结构的照片。

图11是以水平截面显示下列实施例2和3中的炉次T1的微结构的照片。

图12是以垂直截面显示下列实施例2和3中的炉次T1的微结构的照片。