一种铋锰铁合金的金属型制备方法

摘要

本发明属于易切削合金钢铋合金化处理的铋锰铁合金添加剂的制备方法，具体以纯铋与低碳锰铁中间合金为原料，在箱式电炉中于不同的温度下熔炼成铋锰铁固液混合体后浇入金属型中，实现合金的亚快速凝固，以获得适用于易切削钢合金化处理的铋锰铁合金添加剂，采用该制备方法得到的铋锰铁合金添加到钢液时铋的收得率较高，属于合金生产技术。

权利要求

1.一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于包括如下步骤：

A、将低碳锰铁中间合金放于刚玉坩埚底部，纯铋放于上部，在其表面加盐类覆盖剂覆盖以防氧化，将刚玉坩埚置于箱式炉中；

B、将箱式炉升温至1100℃~1300℃，开始熔炼，熔炼保温时间控制在1h，熔炼过程中铋锰铁合金呈固液混合熔融状态，保温过程中通过2~3次搅拌使固-液混合熔体均匀，每次搅拌后均在熔体表面加盐类覆盖剂覆盖，最后一次搅拌后静置在炉内3~5分钟出炉；

C、将熔炼后的熔体取出箱式炉快速浇入金属型，实现亚快速凝固，制备成铋锰铁中间合金块，根据需要破碎成0.5~10毫米的颗粒状合金；

所述的铋锰铁合金，按质量百分含量计算是：铋，72.3~80%, 锰，17~23.3%, 铁，

3~4.4%，碳，0~0.2%，其它不可避免的杂质，0~0.1%。

2.如权利要求1所述的一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于：所述的铋锰铁合金，按质量百分含量计算是：铋，72.3~76%，锰，20~23.3%，铁，3.7~4.4%，碳，0~0.2%，其它不可避免的杂质，0~0.1%。

3.如权利要求1所述的一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于：所述A及B步骤中的盐类覆盖剂为经过脱水处理的质量分数分别为50%的KCl和50%的NaCl均匀混合粉末，用于防止熔体氧化，减少合金元素的烧损和净化熔体。

4.如权利要求1所述的一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于：所述A步骤中的纯铋及锰铁中间合金均为块状，锰铁中间合金为低碳锰铁合金，含Mn的质量百分比为

83~84wt.%。

5.如权利要求1所述的一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于：所述铋锰铁合金呈块状，其厚度为15~25mm；或者呈粒状，其粒径在0.5~10mm范围内；所述不可避免的杂质，主要是指硫、磷和硅，其中硫和磷的质量百分含量均≤0.1%。

6.如权利要求1所述的一种铋锰铁合金的金属型制备方法，其特征在于：所述A及B步骤中所用的盐类覆盖剂为分析纯化学试剂KCl和NaCl的均匀混合物，使用前将其在300℃下烘烤5小时去除结晶水，然后按质量比1:1均匀混合，保存于100℃恒温干燥箱中以备使用。

说明书

一种铋锰铁合金的金属型制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于易切削合金钢铋合金化处理的铋锰铁合金添加剂的制备方法，具体以纯铋与低碳锰铁中间合金为原料，在箱式电炉中于不同的温度下熔炼成铋锰铁固液混合体后浇入金属型中，实现合金的亚快速凝固，以获得适用于易切削钢合金化处理的铋锰铁合金添加剂，采用该制备方法得到的铋锰铁合金添加到钢液时铋的收得率较高，属于合金生产技术。

背景技术

[0002] 金属铋呈银白色，有强烈的金属光泽，性脆，属于斜方晶系，我国铋的储量居世界第一位，约占全球储量的73%，由于铋无毒，且与铅的低熔点、高柔软性等许多方面的性能相近，因此可以广泛作为铅的替代品，将铋加在铸铁、钢和铝合金中用以改善其切削性能，目前含铋易切削钢已经成为现代制造业所迫切需要的一种原材料。

[0003] 由于铋的熔点低（271.3℃），给铋易切削钢的合金化处理造成了很大的困难，因此，用金属铋作为易切削钢的处理添加剂几乎是不可能的，尽管已经有铋锰合金，但由于铋锰合金的熔点低（仅为446℃），因此用它作为合金添加剂时，事实上仍然很困难，而中国专利检索和文献查询结果表明，合金化处理可行、用于易切削钢合金化处理的收得率较高的铋合金添加剂除了发明专利《铋锰铁合金》以外，尚未有见其它报道，但是，专利《铋锰铁合金》中描述的合金制备方法仍存在一些不足，比如是采用两步法制备铋锰铁合金，由于锰和铁的熔点较高，因此在每一步熔炼过程中都必须加热到1300℃~1500℃的高温，这样既浪费能源又增加铋元素的烧损，因此寻找一种熔炼温度更低的铋锰铁的制备工艺具有实际应用价值，也是现代冶金工业飞速发展的期盼，对于促进我国易切削钢的绿色环保生产、减少产品生产成本、提高产品质量和科技含量、增强我国易切削钢的产品质量和国际竞争能力具有深远的意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是，提出一种高温熔炼和金属型铸造方法，制备易切削钢铋合金化处理的铋锰铁合金添加剂，使该合金适用于易切削钢的铋合金化处理、且铋收得率较高。

[0005] 本发明的技术方案之一是，所述的一种铋锰铁合金的制备中，其组分和各组分的原子百分含量是：铋，40~49%， 锰，39~48%, 铁，8~9%，碳，0~2%，不可避免的杂质，0~1%，转化为质量百分含量是：铋，72.3~80%, 锰，17~23.3%, 铁，3~4.4%，碳，0~0.2%，其它不可避免的杂质，0~0.1%。

[0006] 本发明的的一种典型的技术方案是：所述的一种铋锰铁合金其组分和各组分的原子百分含量是：铋，40~45%，锰，44~48%， 铁，8~9%，碳，0~2%，不可避免的杂质，0~1%；转化为质量百分含量是：铋，72.3~76%，锰，20~23.3%，铁，3.7~4.4%，碳，0~0.2%，其它不可避免的杂质，0~0.1%。

[0007] 上述技术方案得到的铋锰铁合金由于含铋质量百分含量高于70%，其比重≥铁的比重，因而采用本发明作炉前合金化处理，是可行的，也是很方便的，由于铋锰铁合金的熔点较高，因此铋的收得率高，从而实现了本发明的目的。

[0008] 本发明的技术方案之二是，一种易切削钢铋合金化处理的铋锰铁合金添加剂的制备方法：

[0009] A、将低碳锰铁中间合金放于刚玉坩埚底部，纯铋放于上部，在其表面加盐类覆盖剂覆盖以防氧化，将刚玉坩埚置于箱式炉中；

[0010] B、将箱式炉升温至1100℃~1300℃，开始熔炼，熔炼保温时间控制在1h，熔炼过程中铋锰铁合金呈固液混合熔融状态，保温过程中通过2~3次搅拌使固-液混合熔体均匀，每次搅拌后均在熔体表面加盐类覆盖剂覆盖，最后一次搅拌后静置在炉内3~5分钟出炉；

[0011] C、将熔炼后的熔体取出箱式炉快速浇入金属型，实现亚快速凝固，制备成铋锰铁中间合金块，根据需要可破碎成0.5~10毫米的颗粒状合金。

[0012] 所述A及B步骤中的盐类覆盖剂为经过脱水处理的质量分数分别为50%的KCl和50%的NaCl均匀混合粉末，用于防止熔体氧化，减少合金元素的烧损和净化熔体。

[0013] 所述A步骤中的纯铋及锰铁中间合金均为块状，锰铁中间合金为低碳锰铁合金，含Mn的质量百分比为83~84wt.%。

[0014] 所述的一种铋锰铁合金的制备方法，其特征在于：所述铋锰铁合金呈块状，其厚度为15~25mm；或者呈粒状，其粒径在0.5~10mm范围内；所述不可避免的杂质，主要是指硫、磷和硅，其中硫和磷的质量百分含量均≤0.1%。

[0015] 所述A及B步骤中所用的混合盐类覆盖剂为分析纯化学试剂KCl和NaCl的均匀混合物，使用前将其在300℃下烘烤5小时去除结晶水，然后按质量比1:1均匀混合，保存于100℃恒温干燥箱中以备使用。

[0016] 将锰铁中间合金放于坩埚底部，纯铋放于上部的目的是为了使铋锰铁中间合金熔体尽量均匀混合，因为铋的比重比锰铁合金大很多，让比重大的纯铋放在上面时，首先熔化的纯铋将逐渐渗入锰铁中间合金块体之间，并与之反应生成铋锰化合物，在熔炼温度保温过程中进行适当搅拌是为了使未熔的锰铁合金能尽量溶入或使其均匀分布在合金液中，搅拌后加盐类覆盖剂覆盖能起到减少熔体氧化、减少合金元素的烧损和净化熔体的作用；随熔炼时间越长，铋元素的烧损也将加大，因此熔炼时间不能太长，一般控制为1h；此外，由于纯锰、纯铁和锰铁合金的熔点较高，为减少铋元素的烧损，铋锰铁合金的熔炼温度控制在稍低于锰铁合金的熔点：即控制在1100℃~1300℃范围内，此时为固-液混合状态。

[0017] 本发明的优点是：制备得到的铋锰铁合金中，铋元素能充分和锰反应生成BiMn相，剩余的锰铁相弥散分布于纯铋和BiMn相之间，起到提高合金熔点的作用，本发明制备的铋锰铁合金，具有在易切削钢的铋合金化处理过程中铋收得率较高的特点，适用于作为易切削钢合金化处理的添加剂。

附图说明

[0018] 图1、2、3分别表示所述原子百分比只含铋和锰元素时为Bi:Mn=50:50，若把三元素进行原子百分含量的比较是Bi:Mn:Fe=45.7:45.7:8.6的所配成分在1100℃、1200℃、1300℃熔炼后经过金属型铸造后得到的铋锰铁合金的SEM照片；所述成分配比转化为三种元素的重量百分含量的比较是：Bi:Mn:Fe=76.20:19.75:4.01，若转化为称量物的重量百分含量的比较是：纯铋:锰铁合金=76.2:23.8。

[0019] 图4、5、6分别表示所述原子百分比只含铋和锰元素时为Bi:Mn=45:55，若把三元素进行原子百分含量的比较是Bi:Mn:Fe=40.8:49.9:9.3的所配成分在1100℃、1200℃、1300℃熔炼后经过金属型铸造后得到的铋锰铁合金的SEM照片；所述成分配比转化为三种元素的重量百分含量的比较是：Bi:Mn:Fe=72.30:23.00:4.65，若转化为称量物的重量百分含量的比较是：纯铋:锰铁合金=72.3:27.7。

具体实施方式

[0020] 实施例一：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为76.2wt.%，低碳锰铁合金为23.8wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)=76.20:19.75:4.01:0.04；按本发明的技术方案二的制备方法，将在1100℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为20毫米的块状铋锰铁合金；如图1所示为该合金的显微组织照片，可以看出，其中的深灰色长条树枝状BiMn相分布于暗白色基底Bi中，但显得有些稀疏，暗白色基底Bi相的面积比BiMn相大，黑色的Mn(Fe)相较多，较为杂乱地分布于树枝状BiMn相之间，其中可见许多轮廓清晰的环绕在Mn(Fe)相和BiMn相外的黑条小圈。

[0021] 实施例二：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为76.2wt.%，低碳锰铁合金为23.8wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)=76.20:19.75:4.01:0.04；按本发明的技术方案二的制备方法，将在1200℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为18毫米的块状铋锰铁合金；图2所示为该合金的显微组织照片，可以看出，深灰色长条树枝状BiMn相与实施例一相比，该相的数量更多、且其尺寸稍大，黑色的Mn(Fe)相数量与实施例一相比稍多，Mn(Fe)相和BiMn相外不再存在黑圈。

[0022] 实施例三：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为76.2wt.%，低碳锰铁合金为23.8wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)=76.20:19.75:4.01:0.04按本发明的技术方案二的制备方法，将在1300℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为25毫米的块状铋锰铁合金；图3所示为该合金的显微组织照片，可以看出，其中的深灰色的长条树枝晶为BiMn相，与实施例二相比，该相的数量更为多且密，黑色Mn(Fe)相数量也较多，且比实施例二的要更为密集，黑色Mn(Fe)相和BiMn相外不再存在黑圈。

[0023] 实施例四：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为72.3wt.%，低碳锰铁合金为27.7wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)=72.30:23.00:4.65:0.05；按本发明的技术方案二的制备方法，将在1100℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为15毫米的块状铋锰铁合金；图4所示为该合金的显微组织照片，可以看出，深灰色长条树枝状BiMn相比实施例一至例三的多，暗白色基底Bi相较少，黑色的初生Mn(Fe)相比实施例一的数量增加较多，且均匀分布在BiMn相内。

[0024] 实施例五：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为72.3wt.%，低碳锰铁合金为27.7wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)=72.30:23.00:4.65:0.05；按本发明的技术方案二的制备方法，将在1200℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为20毫米的块状铋锰铁合金；图5所示为该合金的显微组织照片，可以看出，深灰色长条树枝状BiMn相比实施例四的多，暗白色基底Bi相较少，黑色的Mn(Fe)相比实施例四的数量明显增加，且均匀分布在BiMn相内。

[0025] 实施例六：设置本实施方案中的铋锰铁合金各合金成分的配比：纯铋为72.3wt.%，低碳锰铁合金为27.7wt.%，即铋锰铁合金的化学成份是：Bi: Mn: Fe: C (wt.%)= 72.30:23.00:4.65:0.05；按本发明的技术方案二的制备方法，将在1300℃箱式电炉中熔炼保温1h的铋锰铁合金固液混合物浇入金属型内，得到厚度为20毫米的块状铋锰铁合金；图6所示为该合金的显微组织照片，可以看出，深灰色长条树枝状BiMn相比实施例五的多，暗白色基底Bi相进一步减少，黑色的Mn(Fe)相比实施例五的数量明显增加，且该相的颗粒尺寸较大并均匀分布在BiMn相内。