高速钢用铁基孕育剂的制备方法技术

本发明专利技术高速钢用铁基孕育剂的制备方法，涉及用熔炼法制造铁基合金，是一种高速钢用NbC‑VC‑Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂，该孕育剂是通过原位自生法和金属快速凝固技术制得，克服了现有技术制得的孕育剂的润湿性较差，孕育效果不均匀及增强颗粒尺寸较大，不具备消除或削弱钢中硫元素的有害作用的功能的缺陷。

Preparation of iron based inoculants for high speed steel

The preparation method of iron based inoculant for high speed steel involves the manufacture of iron based alloy by melting process, a thin strip inoculant for high speed steel NbC VC Yb2C3/Fe nanometer two-dimensional in-situ iron based composite material. The inoculant is prepared by in-situ autogenic method and metal rapid solidification technology, and overcomes the existing technology. The wettability of inoculants is poor, the inoculation effect is not uniform and the size of the particles is larger, and the defects of eliminating or weakening the harmful function of the sulfur elements in the steel are not available.

【技术实现步骤摘要】
高速钢用铁基孕育剂的制备方法
本专利技术的技术方案涉及用熔炼法制造铁基合金，具体地说是高速钢用铁基孕育剂的制备方法。
技术介绍
1900年，高速钢的雏形Cr-W钢(C1.85％，W8％，Cr3.8％)在巴黎世博会上以20m/min的速度切削碳钢，并获得了成功，这也轰动了整个冶金界，在此之前刀具切削碳钢的速度不超过10m/min。从此之后，大批冶金学者对高速钢进行了不懈的研究和改善，经过一百多年的发展，高速钢的生产工艺被显著优化，同时其力学性能得到了极大的提高。近年来，粉末冶金(PM)及喷射成形(RS/PM)技术在制造高速钢中的应用，使高速钢的合金化种类更加多样性，并且力学性能得到显著提升。然而粉末冶金高速钢存在制造工艺复杂、能量利用率低和粉末收集率低的缺陷，并且无法制备较大尺寸的成品，目前难以在工业上推广使用；喷射成形高速钢处于积极研发阶段，技术并不成熟。因此，现阶段工业生产中，向高速钢熔体加入孕育剂是应用最广泛的改性手段。对高速钢进行孕育处理是一种公认的，能够有效细化高速钢铸态组织并且提高其力学性能的方法。孕育剂的加入量只需基体质量的千分之几，因此孕育处理是一种十分节省成本的方法。现有技术中孕育剂存在的不足是：一方面是孕育剂的形态基本有细丝状、颗粒状、块状或棒状，但是这些孕育剂内的晶粒尺寸都处于微米级别以上，不难理解，如果孕育剂晶粒尺寸能够细化到纳米级别，孕育效果的提升会十分显著；另一方面，目前大部分孕育剂与高速钢的润湿效果较差，无法充分发挥合金元素的孕育效果；此外，值得注意的是，目前工业上使用的孕育剂不具备消除或削弱硫元素的有害作用的功能。论文“Theeffectofamorphousnanocrystallineinoculantsonstructuresandpropertiesofhighspeedsteel.”(MaterialsResearchExpress,2017)报道了利用原位自生法合成的孕育剂；CN201010531574.3公开了“轧辊用高速钢组织变质细化用的孕育剂的制备和应用方法”，制得用于轧辊用高速钢合金组织变质细化的快速凝固FeVNb中间合金孕育剂。以上报道制得的孕育剂依然不具备消除或削弱硫元素对高速钢的有害作用的功能，无法改善高速钢的韧性，对高速钢韧性提升很小。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供高速钢用铁基孕育剂的制备方法，是一种高速钢用NbC-VC-Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂，该孕育剂是通过原位自生法和金属快速凝固技术制得，克服了现有技术制得的孕育剂的润湿性较差，孕育效果不均匀及增强颗粒尺寸较大，不具备消除或削弱钢中硫元素的有害作用的功能的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：高速钢用铁基孕育剂的制备方法，是通过原位自生法和金属快速凝固技术制得高速钢用NbC-VC-Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂，具体步骤如下：第一步，配制原料：称取所需用量的铸铁、纯铌、纯钒和纯镱，按配比10.5～11.0％纯铌、4.5～5.5％纯钒、9.5～10.5％纯镱和剩余为铸铁进行配料，其中铸铁含碳的质量百分分数为2.0～3.0％，上述百分数均为质量百分分数；第二步，制备Fe-Nb-V-Yb-C块状中间合金：将上述第一步配制的全部原料放入WK-Ⅱ型非自耗式真空电弧炉内，对炉体抽真空至真空度5×10-3Pa，加热熔炼，直到原料全部熔化，至所有原料成分均匀分布为止，然后冷却5～7分钟，制得Fe-Nb-V-Yb-C块状中间合金；第三步，制备高速钢用NbC-VC-Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂产品；将上述第二步制得的Fe-Nb-V-Yb-C块状中间合金放入LZK-12A型真空快淬炉的坩埚中，将炉体真空度抽至5×10-3Pa，然后通入氩气保护，辊轮转速为30～40m/s，在坩埚中加热放入的Fe-Nb-V-Yb-C块状中间合金至重新全部熔化，倾斜坩埚使Fe-Nb-V-Yb-C熔融体在辊轮上完成快速凝固，制备出宽为2.0～4.0毫米和厚度为0.2～0.5毫米的高速钢用NbC-VC-Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂产品。上述高速钢用铁基孕育剂的制备方法，所用到的原料和设备均由公知途径获得，操作工艺是本
的技术人员能够掌握的。本专利技术的有益效果如下：与现有技术相比，本专利技术突出的实质性特点在于如下：(1)本专利技术方法中的原位自生法和金属快速凝固技术是利用Nb、V和Yb的化学特性，原位反应生成NbC和VC纳米颗粒增强相和Yb2C3纳米颗粒相，该孕育剂中这两种类型纳米颗粒相在高速高凝固过程中起到二维孕育作用，即二维原位反应的生成产物都能起到异质形核作用。进一步说明，是在孕育剂合成中利用原位自生反应生成NbC和VC纳米颗粒增强相，此为基础维度即第一维，孕育剂中的Yb2C3纳米颗粒相加入到高速钢中再次发生原位反应生成Yb2S3增强相且其能够发挥异质形核作用，此为高维即第二维。本专利技术的高速钢用铁基孕育剂中的NbC和VC纳米颗粒增强相熔点高于高速钢熔体温度且在密度上与高速钢熔体较为接近，当孕育剂加入到高速钢熔体后，大量且弥散分布的NbC和VC纳米颗粒增强相作为初晶析出过程中的异质形核核心，明显提高了形核率；孕育剂中的原位Yb2C3纳米相在1470℃下与S发生原位置换反应生成纳米二维原位反应产物Yb2S3，纳米二维原位反应产物Yb2S3作为领先相析出,并再次作为次生相的异质形核核心，再次提高剩余液相的形核率，从而使得高速钢铸态组织及晶粒被大幅度细化，其综合力学性能也得到显著提高。(2)与本专利技术的第一专利技术人早先的相关专利技术CN201010531574.3“轧辊用高速钢组织变质细化用的孕育剂的制备和应用方法”和CN201110081520.6“用于细化弹簧钢铸态组织的孕育剂的制备方法和应用方法”相比，本专利技术具有如下的突出的实质性特点：1)在CN201010531574.3公开的技术方案中，只有原位反应产物(Nb，V)C作为异质形核核心，并且依然不具备消除或削弱硫元素对高速钢的有害作用的功能，对高速钢韧性提升很小，高速钢综合力学性能的强化效果仍需要进一步改善。2)在CN201110081520.6中公开的技术方案中，一只是维原位反应，制得的薄片状快速凝固FeVNbAl中间合金孕育剂其增强相尺寸只能达到微米级别，不具备消除或削弱硫元素对金属材料的有害作用的功能，无法明显提高金属材料的韧性。3)本专利技术高速钢用铁基孕育剂中加入的Yb是本领域技术人员从来没有在孕育剂中加入过的元素，即便在CN201010531574.3的基础上结合公知常识要获得孕育剂中的原位Yb2C3纳米颗粒相的技术方案，决不是本领域技术人员轻而易举就能做到的。Yb也是本专利技术发挥第二维原位反应的关键元素，它属于镧系倒数第二位元素，因相对原子质量达到173.04，与硫结合后产物密度与钢液接近，能够弥散在钢液中并起到异质形核作用。4)在高速钢熔炼中加入本专利技术制得的孕育剂后，高速钢铸态组织细化效果比CN201010531574.3明显提高许多，这主要是由于本专利技术孕育剂二维原位反应产物都能发挥异质形核作用所作出的贡献。本专利技术制得的孕育剂增本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速钢用铁基孕育剂的制备方法，其特征在于：是通过原位自生法和金属快速凝固技术制得高速钢用NbC‑VC‑ Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂，具体步骤如下：第一步，配制原料：称取所需用量的铸铁、纯铌、纯钒和纯镱，按配比10.5～11.0%纯铌、4.5～5.5%纯钒、9.5～10.5%纯镱和剩余为铸铁进行配料，其中铸铁含碳的质量百分分数为2.0～3.0%，上述百分数均为质量百分分数；第二步，制备Fe‑Nb‑V‑Yb‑C块状中间合金：将上述第一步配制的全部原料放入WK‑Ⅱ型非自耗式真空电弧炉内，对炉体抽真空至真空度5×10

【技术特征摘要】
1.高速钢用铁基孕育剂的制备方法，其特征在于：是通过原位自生法和金属快速凝固技术制得高速钢用NbC-VC-Yb2C3/Fe纳米二维原位自生铁基复合材料的薄带状孕育剂，具体步骤如下：第一步，配制原料：称取所需用量的铸铁、纯铌、纯钒和纯镱，按配比10.5～11.0%纯铌、4.5～5.5%纯钒、9.5～10.5%纯镱和剩余为铸铁进行配料，其中铸铁含碳的质量百分分数为2.0～3.0%，上述百分数均为质量百分分数；第二步，制备Fe-Nb-V-Yb-C块状中间合金：将上述第一步配制的全部原料放入WK-Ⅱ型非自耗式真空电弧炉内，对炉体抽真空至真空度5×10-3Pa，加热熔炼，直到原料全部熔化，至所有原料成分均匀分布为...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔春翔，张强雄，李宁，崔森，赵亚齐，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12