[发明专利]一种铝硼铬氮铁合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铝硼铬氮铁合金及其制备方法和应用，所述铝硼铬氮铁合金，以铬、铝为基，硼、铁、氮元素作为辅助元素的氮化产品，它们组成5元氮化物相体系，是在铬‑铝‑氮三元相图基础上，通过添加硼、铁等元素，形成Gr‑Al‑N‑B‑Fe组成的5元相图，可用于高强度级别氮合金化钢的生产，其组织为铁素体+珠光体+贝氏体的多相组织，如Rel≥700Mpa强度级别的钢材，本发明所提供的铝硼铬氮铁合金，熔点在1480‑1520℃之间，正好处于高强钢的凝固点附近，密度在4.5‑5.6t/m³之间，作为炼钢冶炼增氮剂，氮在钢中吸收率超过78％，钢中氮控制命中率可达100％，节约钢铁生产成本15‑100元/吨。

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种铝硼铬氮铁合金及其制备方法和应用。

背景技术

长期以来，氮含量偏高会造成钢产生时效蓝脆、“红热脆性”、“冷脆”、气泡或疏松等缺陷，也会降低钢的成形性，因此，在大多数钢种中均为有害元素，钢铁工作者一直致力于如何在钢铁制备过程中将氮从钢中去除，以规避其给钢铁材料带来的有害作用。氮为自然界储存较为丰富且廉价的元素，可谓“取之不尽用之不竭”，氮对钢具有提高强度、扩大奥氏体区、细化晶粒、提高耐蚀性及减少镍和钒等贵重金属用量等有益作用。随着钢铁工业技术的不断进步，氮作为合金元素在钢铁生产中的应用越来越广泛，要使氮成为钢的微合金化元素，必须将氮在钢中的有益作用发挥出来，同时，将氮在钢中的有害弊端最大限度地抑制住。要实现这个目标，最重要是①钢中氮含量窄范围精确控制；②氮在成品钢材中存在形态，必须使超过85％的氮以析出状态存在于钢的微观结构中。要实现钢中氮含量的精确窄成分范围控制，关键技术是氮微合金化方式及氮化合金选择。而其中的技术瓶颈是适应较宽钢种范围、便于微合金化元素氮含量窄成分范围控制、有利于最终超85％微合金化氮元素以析出状态存在钢微观结构中的氮化合金品种。

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，但真正满足上述要求、能作为氮合金化的氮化物很少。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，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；另外，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”。