一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法

摘要

本发明提供了一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法，包括如下步骤：S100：将待熔炼的材料放置在熔炼容器中，然后将所述熔炼容器置于磁悬浮炉中进行熔炼处理得到钢液，所述熔炼处理中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间大于等于0.5分钟；其中所述待熔炼的材料中含有大颗粒夹杂物，并且所述待熔炼的材料中含有钛；S200：对所述钢液进行冷却即可得到纳米颗粒弥散强化钢。本发明实现了使用冶炼方法得到纳米量级（10nm）颗粒弥散强化的超级钢，为氧化物弥散强化钢(ODS)的工业规模量产提供了一种新的可行工艺，可大大提高ODS钢的生产效率，降低ODS钢的生产成本。

权利要求

1.一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法，其特征在于，包括如下步骤：S100：将待熔炼的材料放置在熔炼容器中，然后将所述熔炼容器置于磁悬浮炉中进行熔炼处理得到钢液，所述熔炼处理中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间大于等于0.5分钟；其中所述待熔炼的材料中含有大颗粒夹杂物，并且所述待熔炼的材料中含有钛；所述大颗粒夹杂物是大于1微米量级的夹杂物；其中待熔炼的材料为含有钛和铁的钢样，或者所述待熔炼的材料为原始钢样和钛的混合物，所述原始钢样中含有铁；

S200：对所述钢液进行冷却即可得到纳米颗粒弥散强化钢，所述纳米颗粒弥散强化钢中仅含有小颗粒氧化物，所述小颗粒氧化物尺寸为10纳米量级以下。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述待熔炼的材料中所述钛的质量百分含量大于等于0.1％。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述待熔炼的材料中的钛为纯金属钛和钛合金中的任意一种或二者的混合物。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述待熔炼的材料中还包括脱氧剂，所述脱氧剂为碱土金属、铝、钛中的一种或其合金混合相应的氧化物。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S100中的所述熔炼处理在惰性气体的保护下或真空中进行。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述磁悬浮炉的磁悬浮力能够使得所述钢液中的大颗粒夹杂物在磁场和钢液浮力之下上浮；

步骤S200中还包括对所述磁悬浮炉的感应电流进行调节的步骤。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S200中的冷却速率在1摄氏度每分钟以上。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S200之后还包括储存步骤S300：S300：将所述纳米颗粒弥散强化钢置于真空或者惰性气体保护下储存。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，步骤S300中所述纳米颗粒弥散强化钢的储存温度为小于100℃。

说明书

一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钢铁冶金领域，特别是涉及一种采用纳米级氧化物析出颗粒弥散分布在钢的基体上，从而强化钢的冶炼方法。

背景技术

[0002] 钢中夹杂物的类型、形态、尺寸和分布等对钢材的性能有重要的影响，其主要以非金属化合态存在。钢中的非金属夹杂物作为钢材内部的亚微观缺陷，当其尺寸较大或形貌不规则时，容易诱发应力集中或位错塞积，从而导致钢材在热加工或冷变形时产生力学不均匀性，容易疲劳或降低强度和韧性。对多数钢种而言，尺寸50μm以上的大型夹杂物对钢的性能才有影响，1微米量级及其以下的小夹杂物在凝固和轧制过程中可作为硫化物、碳化物和氮化物的异质形核核心，通过控制夹杂物的大小、形态、数量、成分和分布，可以提高钢材的性能。

[0003] 铝镇静钢在连铸时，高熔点的Al2O3夹杂物易粘在中间包的水口上影响浇铸；大而集中的夹杂物对钢的性能很有害，而分布弥散和细小颗粒的夹杂物，不仅可以减少对钢性能的损害，同时还能有效改善钢的性能。例如在室温下，Al2O3颗粒大于1 μm时，钢的屈服强度和抗拉强度降低，但当夹杂物颗粒小于0.3μm时，屈服强度和抗拉强度都将提高。

[0004] 钙处理目前被广泛采用来对钢中氧化物夹杂进行改性，其对改性钢中Al2O3夹杂，改善钢材性能有一定程度的作用，但同时也面临着一些困难。例如，钙的蒸汽压很高，在钢液中的溶解度很小；钙基合金改性铝的氧化物夹杂，其获得的改性产物不易去除，当在夹杂物颗粒的外围形成液相时，阻碍了变性反应的进行，同时改性得到的产物CaO·Al2O3不易变形，在高级别硬线冷拉或轧制过程中会形成微裂纹，导致钢的性能恶化。

发明内容

[0005] 基于上述不足，本发明提供了一种新的纳米颗粒弥散强化的纯净钢的冶炼方法。该方法不仅能对钢进行夹杂物改性，而且还能在理论上完全去除大颗粒夹杂，保留少量小颗粒氧化物颗粒，小颗粒氧化物尺寸可以控制在10纳米及其以下量级，成为钢中强化相，有利于提高钢铁材料力学性能。

[0006] 本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法，包括如下步骤：

[0008] S100：将待熔炼的材料放置在熔炼容器中，然后将所述熔炼容器置于磁悬浮炉中进行熔炼处理得到钢液，所述熔炼处理中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间大于等于0.5分钟；其中所述待熔炼的材料中含有大颗粒夹杂物，并且所述待熔炼的材料中含有钛；

[0009] S200：对所述钢液进行冷却即可得到纳米颗粒弥散强化钢，冷却速率包括在1 摄氏度每分钟以上的快速冷却。

[0010] 其中，所述待熔炼的材料为钢样，所述钢样中含有钛和铁。

[0011] 其中，所述待熔炼的材料为原始钢样和钛的混合物，所述原始钢样中含有铁。

[0012] 其中，所述待熔炼的材料中所述钛的质量百分含量大于等于0.1%。

[0013] 其中，所述待熔炼的材料中的钛为纯金属钛和钛合金中的任意一种或二者的混合物。

[0014] 其中，所述待熔炼的材料中还包括脱氧剂，所述脱氧剂为碱土金属、铝、钛中的一种或其合金混合相应的氧化物。

[0015] 其中，步骤S100中的所述熔炼处理在惰性气体的保护下或真空中进行。

[0016] 其中，所述磁悬浮炉的磁悬浮力能够使得所述钢液中的大颗粒夹杂物在磁场和钢液浮力之下上浮；

[0017] 步骤S200中还包括对所述磁悬浮炉的感应电流进行调节的步骤。

[0018] 其中，步骤S200中的冷却包括冷却速率在1 摄氏度每分钟以上的快速冷却；

[0019] 其中，步骤S200之后还包括储存步骤S300：

[0020] S300：将所述纳米颗粒弥散强化钢置于真空或者惰性气体保护下储存。

[0021] 其中，步骤S300中所述纳米颗粒弥散强化钢的储存温度为小于100℃。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 1. 本发明实现了使用冶炼方法得到纳米量级（10 nm）颗粒弥散强化的超级钢，为氧化物弥散强化（Oxide dispersion strengthen (ODS））钢的工业规模量产提供了一种新的可行工艺，可大大提高ODS钢的生产效率，降低ODS钢的生产成本。

[0024] 2. 本发明可有效控制成本，通过使用磁悬浮炉添加钛及其合金熔炼，可以大大减少钢中Al2O3等相关氧化物夹杂的数量；并对钢的形貌进行改性。在大颗粒夹杂去除的同时，形成了大量纳米级弥散分布的氧化物颗粒，尺寸可达10纳米量级；细化了钢材的组织，改善了钢材的力学性能。

[0025] 3. 本发采用了磁悬浮炉进行熔炼，具有快速高效的特点，熔炼过程中钢液呈悬浮状态，避免了坩埚壁可能引起的对钢液的污染。钢液在熔炼过程伴随着强烈的旋转与搅拌，更容易促进钢中夹杂物的上浮去除。

[0026] 4. 本发明的熔炼速率快，系统简单，安全性高，可操作性强。

附图说明

[0027] 图1为对比例一的SEM形貌图；

[0028] 图2为对比例二的SEM形貌图；

[0029] 图3为对比例三的SEM形貌图

[0030] 图4为采用本发明的纳米颗粒弥散强化的纯净钢的冶炼方法的一实施例的SEM形貌图。

[0031] 图5为电解采用本发明的纳米颗粒弥散强化的纯净钢的冶炼方法的一实施例的TEM形貌图。

[0032] 图6-图7为使用纯铁熔炼的夹杂物EDS图谱。

[0033] 图8-图9为采用本发明的纳米颗粒弥散强化的纯净钢的冶炼方法的一实施例的EDS图谱。

具体实施方式

[0034] 下面将结合实施例和附图来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0035] 本发明提供了一种纳米颗粒弥散强化钢的冶炼方法，包括如下步骤：

[0036] S100：将待熔炼的材料放置在熔炼容器中，然后将所述熔炼容器置于磁悬浮炉中进行熔炼得到钢液，熔炼过程中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间大于等于1分钟，较优的熔炼时间为1~10分钟。其中所述待熔炼的材料中含有大颗粒夹杂物，并且所述待熔炼的材料中含有钛。本步骤中磁悬浮炉的温度应当足以使该原始钢样熔化形成钢液。应当说明的是，本实施例中的纳米颗粒弥散是指将钢中含有的微米级的大颗粒夹杂物去除或弥散，使纳米级的颗粒保留，在后续冷却过程也并不聚集长大，成为钢中的纳米级强化相。本步骤中磁悬浮炉的磁悬浮力应当足够大从而使得所述钢液中的大颗粒夹杂物在磁场和钢液浮力之下上浮。本步骤中的大颗粒夹杂物是指大于1微米量级的夹杂物。其中夹杂物成分视加入的脱氧剂和钛的量和比例而定，可能是一种氧化物，也可以是数种氧化物的共晶产物。

[0037] S200：熔炼完成后对所述钢液进行冷却即可得到纳米颗粒弥散强化钢，冷过过程中的冷却速率大于等于1℃/min。需要说明的是，冷却可以为空冷，也可以为在液体中淬火冷却。进一步的，冷却过程可以在惰性气体的保护下进行，一种冷却方式是将钢液放置在惰性气体保护下冷却至不再发红后再进行水冷。

[0038] S300：将所述纳米颗粒弥散强化钢置于真空或者惰性气体保护下储存。本步骤中的储存温度为20℃-50℃。本步骤中的真空是指氧气含量小于0.1 Pa。

[0039] 本实施例采用了磁悬浮炉同时添加钛对钢进行夹杂物改性，该熔炼方法能够去除大颗粒保留痕迹量的小颗粒，有效减少钢中微米、亚微米级夹杂物的数量、尺寸、分布，得到纳米级弥散分布的复合氧化颗粒，而纳米级弥散分布的复合氧化颗粒能够作为钢中强化相，能够提高钢材的各项力学性能。

[0040] 其中，所述待熔炼的材料为钢样，所述钢样中含有钛和铁。即放入熔炼容器例如坩埚中的材料可以是事先采用铁粉、Al2O3和钛混合均匀后压制而成的钢样。

[0041] 作为另一种实施方式，所述待熔炼的材料为原始钢样和钛的混合物，所述原始钢样中含有铁。本实施例中的原始钢样为铁粉和Al2O3混合均匀后压制而成的钢样，也就是说已经成型的钢样。因此，本发明的方法既可以适用于钢样的熔炼过程，也可以用于对钢样的进一步处理。

[0042] 步骤S100中的待熔炼的材料中的钛可以是纯金属钛或钛合金或者二者的混合物，只要保证待熔炼的材料中的钛含量大于等于0.1%即可。当采用钛合金时，优选含钛量为1%以上的钛合金。

[0043] 较佳的，作为另一种可实施方式，所述待熔炼的材料中还包括脱氧剂，所述脱氧剂为碱土金属、铝、钛中的一种或其合金混合相应的氧化物。脱氧剂的含量可以为任意。所述脱氧剂最好铝（Al）或者铝（Al）和氧化铝(Al2O3)的混合物。其中铝（Al）和氧化铝(Al2O3)的混合物中铝和氧化铝的比值可以是任意比值。较佳的，铝占原始钢样的质量比为0.1~15g/kg，氧化铝占原始钢样的质量比为0.1~15g/kg。

[0044] 较佳的，作为一种可实施方式，所述熔炼过程在惰性气体的保护下或在真空中进行。本实施例中可以在磁悬浮炉中通入惰性气体或者将磁悬浮炉抽成真空状态。这样可以避免钢液吸收空气中的氧，形成更多的氧化物夹杂。其中所述惰性气体为氩气、氦气、氖气或氙气。

[0045] 其中，所述冷却过程具体为将所述钢液在所述磁悬浮炉中冷却至没有红热后再取出进行水冷。较优的，在磁悬浮炉中发生的冷却过程也在惰性气体的保护下进行。

[0046] 较佳的，作为一种可实施方式，所述磁悬浮炉的磁悬浮力能够使得所述钢液中的大颗粒夹杂物在磁场和钢液浮力之下上浮。即本步骤中使用的磁悬浮炉的磁悬浮力应当足够大从而使得所述钢液中的大颗粒夹杂物在磁场和钢液浮力之下上浮。本步骤中的大颗粒夹杂物是指大于1微米的夹杂物。

[0047] 进一步的，步骤S200中还包括对所述磁悬浮炉的感应电流进行调节的步骤。通过调节磁悬浮炉中的感应电流可以增强钢液的搅拌，钢液在坩埚内剧烈翻转，减小了钢中夹杂物的尺寸，进一步促进了钢中夹杂物的上浮去除。

[0048] 以下以Al2O3夹杂物为例对本发明进一步说明。

[0049] 比较例1

[0050] 比较例1为单独熔炼纯铁来探究夹杂物尺寸、形貌的实验。

[0051] 具体操作步骤如下：

[0052] S100：将纯铁粉压块得到原始钢样。本步骤中的纯铁粉采用雾化铁粉，成分按重量百分比计为，Fe含量达99%以上。

[0053] S200：将原始钢样放置在坩埚中，将坩埚置于磁悬浮炉中进行熔炼得到钢液，熔炼过程中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间为4分钟。熔炼在氩气气氛下进行。

[0054] S300：熔炼完成后对所述钢液进行冷却得到第一钢样，冷过过程中的冷却速率为1℃/min。

[0055] 将熔炼得到的第一钢样经线切割成方形的小块，抛光腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。比较例1的抛光面夹杂物SEM图如图1所示，从图1中可以看出，钢中存在较多球形夹杂，夹杂物尺寸在1-3μm之间。由于试样中未加入脱氧剂进行脱氧，所以钢中的夹杂物主要以铁的氧化物形式存在，这些铁的氧化物将会降低钢材的疲劳强度和冲击韧性。

[0056] 比较例2

[0057] 比较例2为向纯铁粉中添加常用脱氧剂Al及典型夹杂物Al2O3熔炼的实验。其中Al和Al2O3使用分析纯试剂。

[0058] 具体操作步骤如下：

[0059] S100：将Al、Al2O3和纯铁粉研磨均匀后，再压块得到原始钢样。本步骤中的纯铁粉采用雾化铁粉，成分按重量百分比计为，Fe含量达99%以上。其中Al的质量百分含量为3%，Al2O3的质量百分含量为3%。

[0060] S200：将原始钢样放置在坩埚中，将坩埚置于磁悬浮炉中进行熔炼得到钢液，熔炼过程中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间为4分钟。熔炼在氩气气氛下进行。

[0061] S300：熔炼完成后对所述钢液进行冷却得到第二钢样，冷过过程中的冷却速率为1℃/min。

[0062] 熔炼得到的第二钢样经线切割成方形的小块，抛光腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。比较例2的抛光面夹杂物SEM图如图2所示，从图2中可以看出，由于向试样中加入了定量的Al2O3，钢中存在大量的球形夹杂，这些夹杂物的主要为Al2O3颗粒，尺寸在0.5-2.5μm之间。由于高熔点的Al2O3颗粒在钢液中仍为固态，当Al2O3尺寸大于1μm时，钢材的屈服强度和抗拉强度受影响将会降低；当Al2O3尺寸小于0.3μm时，钢材的屈服强度和抗拉强度反而会有所增强。

[0063] 比较例3

[0064] 比较例3为向纯铁粉中添加钛熔炼的实验。

[0065] 具体操作步骤如下：

[0066] S100：将纯金属钛和纯铁粉研磨均匀后，再压块得到原始钢样。本步骤中的纯铁粉采用雾化铁粉，成分按重量百分比计为，Fe含量达99%以上。其中纯金属钛的质量百分含量为6%。

[0067] S200：将原始钢样放置在坩埚中，将坩埚置于磁悬浮炉中进行熔炼得到钢液，熔炼过程中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间为4分钟。熔炼在氩气气氛下进行。

[0068] S300：熔炼完成后对所述钢液进行冷却得到第三钢样，冷过过程中的冷却速率为1℃/min。

[0069] 第三钢样的抛光面夹杂物SEM图如图3所示，从图3中可以看出，向试样中加入脱氧改性剂Ti-Fe，可以降低钢中氧含量，得到细小弥散分布的氧化物颗粒。钢中仍残留了部分夹杂物，尺寸在0.5-1μm之间。这些夹杂物的存在对钢材的性能仍有一定程度上的影响，并未达到我们所期望的纯净化且纳米颗粒弥散强化的结果。

[0070] 实施例1

[0071] 实施例1为向纯铁粉中添加脱氧改性剂Ti，脱氧剂Al及典型夹杂物Al2O3熔炼的实验。

[0072] 具体操作步骤如下：

[0073] S100：将Al、Al2O3、钛铁粉和纯铁粉研磨均匀后，再压块得到原始钢样。本步骤中的纯铁粉采用雾化铁粉，成分按重量百分比计为，Fe含量达99%以上。其中钛铁粉的质量百分含量为5%，本实施例中Al的质量百分含量为3%，Al2O3的质量百分含量为3%。

[0074] S200：将原始钢样放置在坩埚中，将坩埚置于磁悬浮炉中进行熔炼得到钢液，熔炼过程中所述磁悬浮炉的温度为1500℃以上，熔炼时间为4分钟。熔炼在氩气气氛下进行。

[0075] S300：熔炼完成后对所述钢液进行冷却得到第四钢样，冷过过程中的冷却速率为1℃/min。

[0076] 抛光面夹杂物SEM图如图4所示，从图4中可以看出，对比图2，试样中夹杂物数量明显减少，在视场范围内仅发现极少量的夹杂物颗粒。这些夹杂主要为Ti-Al-O-Fe的复合物，由于夹杂物数量较少，尺寸细小，所以它们对钢材性能的影响可忽略不计。这个结果表明了纯净化冶炼的可行性。同时由于扫描电镜的局限性，试样中可能存在纳米级弥散分布的夹杂物颗粒，但不能通过SEM图片观察到这些颗粒的形貌，所以通过电解法回收钢样中的夹杂物制成透射电镜（TEM）样进行观察。从图5可以看出，钢中确实存在纳米夹杂颗粒，大小在5-40nm。对比（图6-图7）和（图8-图9）可以看出，这些纳米颗粒主要为Fe-O-S-Al-Ti的复合物。
这些纳米颗粒的存在，不仅不会降低钢材的性能，反而对钢材力学性能的提高有极强的促进作用。因此，通过本实验工艺，基本达到了纯净化冶炼的目的，同时得到钢中弥散分布的纳米夹杂颗粒，大大提高了钢材性能，并为通过冶炼法得到ODS钢提供了一种有效的方法。

[0077] 表1：SEM图中加入Ti-Fe熔炼与不加Ti-Fe熔炼的夹杂物数量及尺寸分布情况[0078]

[0079] 本发明采用在含有Al2O3的钢中中加入Ti添加剂通过磁悬浮炉熔炼的方法，使钢中夹杂物的数量明显减少，同时夹杂物尺寸大大降低，得到在钢中弥散分布的纳米夹杂，实现纯净化冶炼的同时，纳米夹杂物可以促进钢材性能的提高，为采用熔炼方法得到ODS钢提供一种可行的工艺。需要说明的是本发明提供的方法既可以适用于钢冶炼，同时也可以对冶炼好的钢进一步处理。

[0080] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。