一种低合金铸钢用非晶态变质剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术为一种低合金铸钢用非晶态变质剂及其制备方法和应用。该细化剂为Ce‑Al‑Ni‑Cu‑Nb合金，其原子百分组成为Ce（58‑x）%，Al10%，Ni12.5%，Cu10.5%，Nb（9+x)%，其中，x=0‑2。本发明专利技术所采用的非晶态变质剂能够极好的利用有效细化的元素，相对于稀土传统变质剂有效地防止了元素浪费，减少了由于变质剂所带入钢液中的杂质，能够更加高效、节能的细化组织，提升性能。

【技术实现步骤摘要】
一种低合金铸钢用非晶态变质剂及其制备方法和应用
本专利技术属于金属材料及冶金领域，特别涉及一种低合金铸钢用非晶态变质剂。
技术介绍
当下能源再生、资源可持续、环境保护等方面面临着十分严峻的挑战，航空航天、重工、交通运输等领域为了节能减排和保护环境，对材料性能提出了更高的要求。低合金铸钢由于具有合适的淬透性，经适宜的热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比(一般在0.85左右)，较高的韧性和疲劳强度和较低的韧脆转变温度等诸多优点，在工程结构材料中的应用正在日趋扩大。目前，工业发展对合金钢的需求越来越大，同时对合金钢各项性能指标的要求越来越高。因此，世界各国的材料科研人员十分重视不同类型合金钢组织细化和强韧性的研究，为此做了大量的科研工作。在众多合金钢中，低合金钢因其强度高、较高的韧性和疲劳强度和较低的韧脆转变温度等优点而引起人们的极大关注。尽管世界各国已开发多种高强韧低合金钢，但仍不能满足航空航天以及交通运输等领域对于强度和塑性的要求，因此低合金钢在满足强度的基础上提高塑性需要深入的研究。提高材料强度和塑性主要通过细晶强化的方式。细晶强化通过细化晶粒，增加晶界密度，增强对位错的阻碍作用，从而提高合金强度和塑性。细晶强化主要是通过在钢液中加入变质剂增加晶粒形核的异质形核核心，从而细化组织是提高合金力学性能。因此，细化晶粒是金属极为重要的强化方法。细化晶粒一般采用以下方法：(1)在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核，晶核数量愈多，则晶粒愈细，该方法对于重大铸件应用困难，很难保证高的冷却速率；(2)在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化，该方法由于在高温下操作对于搅拌设备要求较高，使用范围较窄；(3)在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些质点，作为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，这种方法由于操作简单、成本低廉可以用于实际生产。传统的铸钢变质方法一般采用稀土变质剂或者稀土、Ti、V等元素复合变质剂，科学研究表明：加入稀土、V、Ti可以细化铸钢的晶粒，主要原因是因为稀土为表面活性元素，加入后与钢液中的残余氧结合，形成高熔点的稀土氧化物。另外，加入的V、Ti可以与钢中C、N元素形成高熔点的碳、氮化合物等。在一定的条件下这些高熔点的稀土氧化物和碳、氮化合物可作为液态金属的非匀质形核核心。然而传统变质剂稀土、稀土以及其他元素复合变质剂等，在加入钢液中后由于发生结晶反应很难均匀的分散在钢液中，其次传统变质剂在钢液中与钢中O、C、N等元素发生反应生成化合物的种类繁多，很难保证生成化合物均可成为异质形核的核心，其与δ-Fe错配度很难控制在成为异质核心要求的范围内。再次，生成的化合物尺寸大小很难保证在纳米级，化合物结构类型也难以控制，造成元素的大量浪费，并且给钢液中引入杂质，影响钢水纯净度。因此有必要专利技术一种高效、节能、环保的变质剂。
技术实现思路
本专利技术目的是对目前铸钢熔炼过程中传统变质剂与钢液作用产生化合物种类繁多、尺寸差异较大、元素浪费、钢液污染等问题，提出一种更加高效、环保、节能的非晶变质剂。该变质剂的原子组成为Ce58-xAl10Ni12.5Cu10.5Nb9+x，其中，x＝0-2。本专利技术是区别于传统铸钢用晶态变质剂的一种非晶态变质剂，该细化剂通过真空熔炼得到Ce基母合金铸锭，然后在高真空单辊甩带系统中制备非晶条带，最终在钢液出包时将非晶条带加入钢水中从而实现细化晶粒，最终提高低合金钢的强度、塑性。本变质剂细化效果显著，是一种高效、节能、环保的变质剂。本专利技术的技术方案为：一种低合金铸钢用非晶态变质剂，该细化剂为Ce-Al-Ni-Cu-Nb合金，其原子百分组成为Ce(58-x)％，Al10％，Ni12.5％，Cu10.5％，Nb(9+x)％，其中，x＝0-2。所述的低合金铸钢用非晶态变质剂的制备方法，包括以下步骤：第一步：按照所述的原子配比将Ce、Al、Ni、Nb和Cu的金属料加入到电弧炉坩埚中，抽真空后再向炉内充入高纯Ar气，再次抽真空后再向炉内充入0.6-0.8个大气压高纯Ar气；熔炼纯钛除氧后，在20KW-22KW的恒功率下熔炼100s-120s，然后再翻转熔炼3-4次，每次熔炼2.5-4min，最终得到Ce基母合金；第二步：将熔炼的Ce基母合金放入甩带机抽真空室中抽低真空，当低真空度达到5-7Pa后，开始抽高真空，当真空度到达7.0-9.0×10-4Pa时，启动铜辊轮，等到铜辊转速稳定为3200-3800rpm后15KW-17KW功率下熔炼，当母合金全部熔化70-80秒后，进行喷铸，喷铸时的压力差为0.3-0.6个大气压；合金熔体快速喷射到铜辊轮上，合金熔体被快速冷却形成薄带而落入接带筒中，得到所述的低合金铸钢用非晶态变质剂。所述的低合金铸钢用非晶态变质剂的应用方法，包括以下步骤：首先，使用碱性中频感应炉熔炼铸钢，出炉前2-3min加入所述的非晶变质剂，加入量为钢水质量的0.15-0.25％，最后浇注得到低合金铸钢。所述的Ce、Al、Ni、Nb和Cu金属料的纯度均为大于等于99.9％。所述的铸钢优选为20CrMoMnV铸钢。所述的第一步中的抽真空中的真空压力为5.0-7.0×10-3Pa。本专利技术的实质性特点为：当前技术中，采用稀土作为变质剂时加入量比较大，其次稀土会和钢液中的S、O等元素发生反应，生成一些稀土硫化物或者稀土氧化物，以夹杂物的形式存在于铸钢中影响钢的性能。采用非晶变质剂首先非晶变质剂成分中的元素均可以起到细化变质的效果，由于非晶是由液态快速激冷得到的，加入铸钢中是分散性好，可以快速分散于液体中起到变质的作用；其次，非晶变质剂在液态下直接冷却获得，变质剂中存在大量的可以提供异质形核的质点，这些质点均满足异质形核所需要的错配度(0°-12°)这些相对比稀土变质剂，非晶变质剂可以更加高效快速的形核，所产生的夹杂物也比较小；最后，传统稀土变质加入量较大，非晶变质剂加入量少。由于不是所有的目前铸钢中所用的元素都可以形成非晶变质剂，需要考虑其非晶形成能力，并且需要把握冷却速度，最终才能保证所得到的变质剂是非晶态。专利技术中的非晶变质剂的元素种类是综合考虑该化学组成下非晶形成能力、冷却速度制备出的。关于制备过程中，一般的步骤从业人员均可以想到，但是非晶甩带时铜辊的转速是冷却速度的关键，如果速度比较低，很难形成非晶，因为非晶形成是由液态直接冷却需要大的冷速，如果速度过快会很难得到非晶条带，可能会是比较窄的、颗粒状的非晶态物质，这都会影响其变质效果。如图2所示非晶条带以及XRD衍射结果，XRD衍射结果为非晶典型的“馒头衍射峰”。本专利技术的有益效果为:铸钢熔炼过程中传统变质剂加入钢液中由于发生结晶反应很难均匀的分散在钢液中，其次传统变质剂在钢液中与钢中O、C、N等元素发生反应生成化合物的种类繁多，很难保证生成化合物均可成为异质形核的核心，其与δ-Fe错配度很难控制在成为异质核心0°-12°的范围内。其次，生成的化合物尺寸大小很难保证在纳米级，化合物结构类型也难以控制，造成元素的大量浪费，并且给钢液中引入杂质，影响纯净度。本专利技术针对上述问题提出一种易于均匀分散、细化效果显著，净化钢液能力强的高效、节能、环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低合金铸钢用非晶态变质剂，其特征为该细化剂为Ce‑Al‑Ni‑Cu‑Nb合金，其原子百分组成为Ce（58‑x）%，Al10%，Ni12.5%，Cu10.5%，Nb（9+x)% ，其中，x=0‑2。

【技术特征摘要】
1.一种低合金铸钢用非晶态变质剂，其特征为该细化剂为Ce-Al-Ni-Cu-Nb合金，其原子百分组成为Ce（58-x）%，Al10%，Ni12.5%，Cu10.5%，Nb（9+x)%，其中，x=0-2。2.如权利要求1所述的低合金铸钢用非晶态变质剂的制备方法，其特征为包括以下步骤：第一步：按照所述的原子配比将Ce、Al、Ni、Nb和Cu的金属料加入到电弧炉坩埚中，抽真空后再向炉内充入高纯Ar气，再次抽真空后再向炉内充入0.6-0.8个大气压高纯Ar气；熔炼纯钛除氧后，在20KW-22KW的恒功率下熔炼100s-120s，然后再翻转熔炼3-4次，每次熔炼2.5-4min，最终得到Ce基母合金；第二步：将熔炼的Ce基母合金放入甩带机抽真空室中抽低真空，当低真空度达到5-7Pa后，开始抽高真空，当真空度到达7.0-9.0×10-4Pa时，启动铜辊轮，等到铜辊转速稳定为3200-3800rpm后15K...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维民，梁鑫，王英虎，肖海涛，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12