金属生产纳米添加剂及其使用方法技术

本发明专利技术提供金属生产纳米添加剂及其使用方法。本发明专利技术的金属生产纳米添加剂中包含纳米添加剂粉末，纳米添加剂粉末的粒径小于等于100纳米，其中，纳米添加剂粉末为三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末中的任意一种粉末或任意多种粉末的混合粉末。本发明专利技术的金属生产纳米添加剂的使用方法中，在待要生产的金属处于熔融状态时将金属生产纳米添加剂加入到处于熔融状态的金属中，其中，按照纳米添加剂粉末相对于金属的质量百分比为0.02%~1%的比例关系确定金属生产纳米添加剂的添加量。采用本发明专利技术的金属生产纳米添加剂及其使用方法，能够促进金属材料的超细晶化，从而有助于改善金属的强度和韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属生产过程中使用的添加剂，尤其涉及有助于改善金属的强度和韧性的金属生产纳米添加剂及其使用方法。
技术介绍
在例如包含钢的Fe金属材料中，诸如铁素体等的组织的晶粒大小对钢材的强度和韧性具有显著的影响。一般来说，晶粒的粒径越小，钢材的强度和韧性就越高。按照晶粒度标准的评级，1～3级晶粒度（直径250微米～125微米）为粗晶，4～6级（直径88微米～44微米）为中等晶粒，7～8级（直径31微米～22微米）为细晶。细晶钢的强度和韧性均优于粗晶钢。由于市场中对高强度高韧性的钢存在广泛的需求，因此，如何提高钢的晶粒度等级（即如何使晶粒细化）一直是热门的技术问题。尤其是期望实现晶粒直径在10微米以下的超细晶钢。能够促进晶粒细化的手段有很多，最为常见的是诸如淬火等的热处理。例如，在钢板轧制过程中，可以先将钢坯加热至较高温度（例如加热至1150℃~1270℃）使其软化，然后进行高温锻制使其形成具有预定厚度的板状，接下来利用水等液体使其迅速冷却，从而得到钢板。钢板中的Fe元素在冷却过程中结晶并凝固。如果冷却速度足够快，则由Fe元素形成的晶体还没有来得及长大就已经凝固成型，从而可以实现晶粒的细化。但是，传统的淬火方式对金属材料晶粒细化的程度有限。其原因在于：首先，淬火是通过使被加热到高温（例如，800℃以上）的金属与处于室温的水相接触进行降温的，因此金属的降温速度受到金属和水之间的热传递速度的制约，不能无限缩短降温时间；其次，金属材料表面的材料冷却速度快，而芯部的材料的冷却速度慢，因此不可避免地会造成金属材料芯部的晶粒度等级会低于钢材表面的晶粒度等级。例如铜、铝等其他的金属材料中，也存在类似的问题。因此，期望出现能够提高金属材料的强度和韧性的技术手段。
技术实现思路
本专利技术提供一种金属生产纳米添加剂及其使用方法，本专利技术能够促进金属材料的细晶化，从而有助于改善金属的强度和韧性。本专利技术的第一方面提供一种金属生产纳米添加剂，其中包含纳米添加剂粉末，所述纳米添加剂粉末的粒径小于等于100纳米，其中，所述纳米添加剂粉末为三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末中的任意一种粉末或任意多种粉末的混合粉末。尺寸达到纳米颗粒级别（即、粒径小于等于100纳米）的三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末中的颗粒属于硬质点，熔点高，稳定性好。当加入到熔融状态的金属液（例如钢液）中时，这些粉末的颗粒作为异质晶核，增加了核心的数量，缩短了晶粒在液态中的自由生长时间，对晶粒的长大起到了抑制作用，从而促进了组织细化，起到了孕育剂的作用。与常规孕育剂不同，三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末的加入量很少，促进组织细化的效果更为明显。在Fe、Cu或Al等金属材料中，在期望得到10微米以下直径的超细晶金属材料时，需要使作为晶粒核心的微颗粒的粒径小于等于100纳米。这样，不仅能够得到粒径10微米以下的金属元素的细晶，还能够使金属中的杂质也形成尺寸接近10微米或者在10微米以下的晶粒，从而进一步提高金属材料的品质，促进金属材料的细晶化，改善金属的强度和韧性。优选地，所述金属生产纳米添加剂中还包含与待要生产的金属对应的金属成分，所述金属成分的至少一部分被形成为粒径小于等于100纳米的金属粉末。优选地，在单位体积的所述金属生产纳米添加剂中，所述金属粉末的颗粒数量大于所述纳米添加剂粉末的颗粒数量，并且所述纳米添加剂粉末与所述金属粉末彼此均匀地混合在一起。优选地，在单位体积的所述金属生产纳米添加剂中，所述金属粉末的颗粒数量与所述纳米添加剂粉末的颗粒数量的比例大于等于7比3。优选地，在彼此均匀地混合在一起的所述纳米添加剂粉末和所述金属粉末中，以防止所述纳米添加剂粉末的颗粒团聚成块的方式利用所述金属粉末的颗粒将所述纳米添加剂粉末的颗粒隔开。为了保证纳米添加剂粉末对金属组织细化的促进作用，要求纳米添加剂粉末的粒径保持在期望的小于等于100纳米的范围内。利用同样是纳米颗粒的更多数量（颗粒数量）的金属粉末与纳米添加剂粉末均匀混合，可以使得纳米添加剂粉末的颗粒彼此间隔开，从而不会出现纳米添加剂粉末的颗粒团聚成块的不利情况。其中，金属纳米粉末的颗粒数量与纳米添加剂粉末的颗粒数量的比例大于等于7比3时，容易使纳米添加剂粉末的颗粒彼此间隔开，降低粉末颗粒的均匀混合的难度。优选地，所述金属生产纳米添加剂具有包括药芯部和保护皮部的药芯管状的结构，其中，所述保护皮部由与待要生产的金属对应的金属形成为中空的管状，所述药芯部容纳在所述保护皮部内的空间中，并且所述纳米添加剂粉末和所述金属粉末置于所述药芯部中。更优选地，所述保护皮部由金属片材制成，所述金属片材为具有0.3mm~0.8mm厚度和10mm~30mm宽度的金属带。采用上述药芯管状的结构，有助于储存金属生产纳米添加剂。当确定了添加剂的用量（例如，质量）后，可以将添加剂的用量方便地换算成药芯管的长度或者重量，从而便于操作者掌握添加剂的用量。另外，药芯管状的结构还可以方便操作人员在添加的过程中不断改变纳米添加剂加入到熔融金属中的位置，从而得到更为均匀的投入效果。优选地，所述纳米添加剂粉末的粒径小于等于40纳米。纳米添加剂粉末的粒径越小，越容易实现金属材料的细晶化和超细晶化。另外，当纳米添加剂粉末的粒径小于等于40纳米时，即使由于纳米添加剂粉末和金属粉末混合不够均匀而出现一部分添加剂粉末的颗粒团聚成块的现象，也容易将团聚成块后的大颗粒的粒径控制在100纳米以下，从而可以降低对粉末混合的工艺要求，使生产难度降低。优选地，在生产时使用所述金属生产纳米添加剂的金属为Fe、Cu或Al等。本专利技术的第二方面提供一种金属生产纳米添加剂的使用方法，其中，使用了如上所述的任一种金属生产纳米添加剂，在待要生产的金属处于熔融状态时将所述金属生产纳米添加剂加入到处于熔融状态的所述金属中，或者在熔融待要生产的所述金属之前将所述金属生产纳米添加剂加入到用于盛放熔融状态的所述金属的容器中，其中，按照所述纳米添加剂粉末相对于待要生产的所述金属的质量百分比为0.02%~1%的比例关系确定所述金属生产纳米添加剂的添加量。附图说明图1示出了纳米添加剂粉末加入量（质量百分比）与钢材的屈服强度σb（MPa）、布氏硬度（HB）以及冲击功Ak（J·cm2）之间的关系曲线。图2示出了按照不同的比例（质量百分比）添加纳米添加剂粉末后得到的钢的显微金相组织。图3示出了本专利技术的药芯管的长度方向截面的示意图。图4示出了本专利技术的药芯管的横断面的示意图。图5示出了本专利技术的药芯管的制造设备的示意图。具体实施方式以下参照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。注意，以下具体实施方式仅用于示例性地进行说明，本专利技术的范围应理解为权利要求书所限定的范围。第一实施方式以下以适用于Fe金属材料的钢生产纳米添加剂作为本专利技术的第一实施方式进行说明。通常来说，Fe金属材料提高强度的途径主要有4条：（1）通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生固溶强化。这一方式适用于对钢材中的某些位置进行强化。（2）通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难（位错强化）。这一方式适用于沿着某一方向对钢材进行强化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属生产纳米添加剂，其特征在于，所述金属生产纳米添加剂中包含纳米添加剂粉末，所述纳米添加剂粉末的粒径小于等于100纳米，其中，所述纳米添加剂粉末为三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末中的任意一种粉末或任意多种粉末的混合粉末。

【技术特征摘要】
1.一种金属生产纳米添加剂，其特征在于，所述金属生产纳米添加剂中包含纳米添加剂粉末，所述纳米添加剂粉末的粒径小于等于100纳米，其中，所述纳米添加剂粉末为三氧化二铝粉末、氧化钛粉末、氮化钛粉末、氧化锆粉末、氮化钒粉末和碳化硅粉末中的任意一种粉末或任意多种粉末的混合粉末。2.根据权利要求1所述的金属生产纳米添加剂，其特征在于，所述金属生产纳米添加剂中还包含与待要生产的金属对应的金属成分，所述金属成分的至少一部分被形成为粒径小于等于100纳米的金属粉末。3.根据权利要求1所述的金属生产纳米添加剂，其特征在于，在单位体积的所述金属生产纳米添加剂中，所述金属粉末的颗粒数量大于所述纳米添加剂粉末的颗粒数量，并且所述纳米添加剂粉末与所述金属粉末彼此均匀地混合在一起，在彼此均匀地混合在一起的所述纳米添加剂粉末和所述金属粉末中，以防止所述纳米添加剂粉末的颗粒团聚成块的方式利用所述金属粉末的颗粒将所述纳米添加剂粉末的颗粒隔开。4.根据权利要求3所述的金属生产纳米添加剂，其特征在于，在单位体积的所述金属生产纳米添加剂中，所述金属粉末的颗粒数量与所述纳米添加剂粉末的颗粒数量的比例大于等于7比3。5.根据权利要求2所述的金属生产纳米添加剂，其特征在于，所述金属生产纳米添加剂具有包括药芯部和保护皮部的药芯管状的结构，其中，所述保护皮部由与待要生产的金属对应的金属形成为中空的管状，所述药芯部容纳在所述保护皮部内的空间中，并且所述纳米添加剂粉末和所述金属粉末置于所述药芯部中；所述金属生产纳米添加剂的加工设备的结构为：该加工设包括料斗（100）、U型槽轧辊组件（200）、下粉槽（300）、合拢轧辊组（400）和合拢轧辊组（400）；其中，所述U型槽轧辊组件（200）、合拢轧辊组（400）和合拢轧辊组（400）从左到右依次设置，所述下粉槽（300）设置在所述U型槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：王存，
申请(专利权)人：北京麦特尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11