一种纳米粒子均匀分散铜基中间体及制备和使用方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米粒子均匀分散铜基中间体，其是块状或线材铜合金，成分包括纳米粒子，其质量分数为0.5％～1％，其余为铜和微量杂质；纳米粒子包括高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粒子。制备方法：将高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粉混合后在真空及液氮冷却条件下球磨预分散，得到混合纳米粉剂；加热熔化金属铜，向铜液添加并分散混合纳米粉剂，高熔点氧化物纳米粒子在铜液中呈均匀分散状态，熔体凝固成块状或成坯制成线材，制得纳米粒子均匀分散铜基中间体。纳米粒子均匀分散铜基中间体加入到钢液中，铜溶解后纳米粒子弥散进入钢液中，改善了金属与非金属之间的润湿性，而且保证了纳米粒子在钢中的稳定收得率。且保证了纳米粒子在钢中的稳定收得率。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米粒子均匀分散铜基中间体及制备和使用方法


[0001]本专利技术涉及钢铁冶金领域，特别涉及一种纳米粒子均匀分散铜基中间体制备及使用方法。

技术介绍

[0002]Cu作为耐候钢的一种基本合金元素，当钢中含有一定量Cu(0.2％～0.5％)时就能显著提高钢的抗大气腐蚀能力，进而提升基础设施结构的可靠性和耐久性。而且，Cu还是一种有效的强化元素，它的ε相存在于α
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Fe中能显著提高晶格强度。由于Cu在钢中显著的有益作用及其相对经济的价格，在很多钢种中都是很重要的合金元素。但是，由于Cu的熔点比Fe低，以及Cu具有比Fe更强的抗氧化性，它的存在往往会在含铜钢的加工过程中引起钢表面的热裂问题，并且会降低钢的焊接性能。
[0003]含铜钢在氧化气氛条件下进行高温热轧过程中，发生表面热裂(铜脆)是很常见的问题，这与高温时奥氏体晶界发生Cu偏聚密切相关。研究表明，向钢中添加一定量的纳米级粒子，并使其细小、均匀、弥散分布于钢中，能起到细化晶粒、抑制Cu偏聚以及提高晶界强度的作用，但由于纳米粒子比表面积大、反应活性高，将其加入高温钢液中容易团聚长大，甚至会成为钢中有害夹杂物，失去上述有益作用。许多研究表明，如何将纳米粒子在炼钢过程中加入到钢水中并使之弥散分布，是目前外加法世界性技术难题。
[0004]专利201310211127.3一种向钢液中加入纳米粒子以优化钢组织的方法，专利技术人提出采用微米级铁粉为分散剂，将纳米粒子在其中球磨分散，避免纳米粒子团聚，然后烧结成含纳米粒子的钢棒，再通过机械液压装置带动钢棒在钢包或中间包内上下振动，以使纳米粒子弥散分布。该方法涉及热压烧结技术增大了工作量和复杂度，另外，仅仅依靠机械液压装置振动产生的搅拌力无法带动各处钢液均匀流动，因此，实现纳米粒子均匀分布比较困难。
[0005]专利201510112841.6一种外加纳米粒子使钢组织细化并提高力学性能的方法，提出将纳米粒子与合金纳米粉混合并分散均匀，填充于钢管中并压实密封，在连铸生产中，将钢管以一定速度缓慢伸入到结晶器中钢流的正下方，依靠中间包流下钢液连续冲击以及搅动，分散进入钢液中的纳米粒子。该方法理论上是可行的，但实际操作存在许多问题，比如制备成本高，制备使用纳米合金粉末作分散剂来分散纳米氧化物粒子，纳米合金粉价格昂贵，造成制备成本高。再如，结晶器内冷却强度大，钢液进入后很快形成坯壳，这时纳米粒子还未来得及分散结晶器内表面，导致了纳米粒子在连铸坯内外分布不均。还有钢水温降大、液面波动、钢棒熔化速度和铸坯拉速匹配等一系列问题，都会造成纳米粒子分散不均匀。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种纳米粒子均匀分散铜基中间体制备及使用方法，将纳米粒子弥散分布于钢液中，提高含铜钢强韧化性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0008]一种纳米粒子均匀分散铜基中间体，其特征在于，其是块状或线材铜合金，成分包括纳米粒子，其余为铜和微量杂质；纳米粒子包括高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粒子，纳米粒子在金属铜中均匀弥散分布，其质量分数为0.5％～1％。
[0009]一种纳米粒子均匀分散铜基中间体制备方法，具体包括以下步骤：
[0010](1)纳米粒子预分散
[0011]将高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粉混合后在真空及液氮冷却条件下球磨预分散，得到混合纳米粉剂；
[0012](2)纳米粒子均匀分散铜基中间体制备
[0013]加热熔化金属铜，在螺旋电磁场和超声波共同作用下向铜液添加并分散混合纳米粉剂，高熔点氧化物纳米粒子在铜液中呈均匀分散状态，其质量百分数为0.5％～1％，熔体凝固成块状或成坯制成线材，制得纳米粒子均匀分散铜基中间体。
[0014]步骤(1)所述高熔点纳米粒子为CaO纳米粉、MgO纳米粉、Al2O3纳米粉、ZrO2纳米粉中的一种，粒子的粒度介于25nm～50nm之间。
[0015]步骤(1)所述纯金属纳米粉为Ca纳米粉、Mg纳米粉、Al纳米粉、Cu纳米粉中的一种，优选Cu纳米粉。
[0016]步骤(1)所述高熔点纳米粒子和纯金属纳米粉的质量配比为1:5～1:8。
[0017]步骤(1)采用行星式球磨机进行球磨预分散，行星式球磨机转数控制在1000～1400rad/min，混匀时间10～14h。
[0018]步骤(2)采用中频感应炉加热熔化金属铜，金属铜的纯度大于99.95％。
[0019]步骤(2)采用螺旋电磁搅拌器提供螺旋电磁场，电磁搅拌电流为200～300A，频率40～50Hz。
[0020]步骤(2)采用超声波处理器提供超声波，超声波发射头浸入到铜液深度为25～35mm，输出功率0.8kW～1kW，频率为18～22Hz。
[0021]步骤(2)熔体凝固速度为≤0.4K/s。
[0022]一种纳米粒子均匀分散铜基中间体使用方法，钢液合金脱氧及合金化后向钢液中加入纳米粒子均匀分散铜基中间体，铜进入到钢液实现铜合金化，同时纳米粒子弥散于钢液中，在常规工艺下生产出纳米粒子均匀分布的铸坯或铸锭。
[0023]所述加入纳米粒子均匀分散铜基中间体时保证铜液温度大于1100℃。
[0024]所述纳米粒子均匀分散铜基中间体加入量按纳米粒子在钢中的质量百分数为0.01％～0.1％控制。
[0025]纳米粒子均匀分散铜基中间体以块状合金方式投入或喂线的方式加入。
[0026]与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027](1)工艺简单，成本低。在冶炼含铜钢要加入金属铜进行合金化，一次性投资超声波处理装置和螺旋电磁搅拌装置，借助超声波结合螺旋磁场作用实现纳米粒子在铜熔体中均匀分散，并且能够批量生产纳米粒子均匀分散铜基中间体以满足炼钢大生产对中间体的需求。
[0028](2)作为预分散剂的钙、镁、铝纳米粉，熔点都很低，加入铜液中迅速熔化，将其内部分散状态的纳米粒子释放，利于纳米粒子均匀分散，避免纳米粒子的团聚烧结后上浮成渣，加入到钢液中还起到改性夹杂物作用，消除夹杂物对钢性能的有害影响。
[0029](3)借助超声波机械作用和空化作用，突破了金属熔体表面张力，使比重轻的陶瓷纳米粒子进入到熔体表面较浅区域，再螺旋磁场搅动钢液的流动使纳米粒子进入到熔体的较深区域，真正意义上实现了纳米粒子弥散分布整个熔体中，并分散后4h内熔体处于螺旋磁场搅动下纳米粒子仍能弥散分布。
[0030](4)采用纳米粒子均匀分散铜基中间体形式加入到钢液中，纳米粒子在中间体中弥散，铜溶解后纳米粒子又弥散进入钢液中，避免了直接向钢液加入纳米粒子收得率非常低或容易发生“团聚”的问题，改善了金属与非金属之间的润湿性，而且保证了纳米粒子在钢中的稳定收得率。
[0031](5)采用纳米粒子均匀分散铜基中间体形式加入到钢液中，既实现了铜合金化，又完成了铜溶解后释放纳米粒子弥散进入钢液，实现了纳米粒子在整个钢包钢液弥散分布，同理实现整个浇次本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米粒子均匀分散铜基中间体，其特征在于，其是块状或线材铜合金，成分包括纳米粒子，其余为铜和微量杂质；纳米粒子包括高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粒子，纳米粒子在金属铜中均匀弥散分布，其质量分数为0.5％～1％。2.根据权利要求1所述的一种纳米粒子均匀分散铜基中间体，其特征在于，所述高熔点纳米粒子为CaO纳米粉、MgO纳米粉、Al2O3纳米粉、ZrO2纳米粉中的一种，纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间。3.根据权利要求1所述的一种纳米粒子均匀分散铜基中间体，其特征在于，所述纯金属纳米粉为Ca纳米粉、Mg纳米粉、Al纳米粉、Cu纳米粉中的一种，纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间。4.根据权利要求1所述的纳米粒子均匀分散铜基中间体，其特征在于，所述高熔点纳米粒子和纯金属纳米粉的质量配比为1:5～1:8。5.根据权利要求1所述的纳米粒子均匀分散铜基中间体制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)纳米粒子预分散将高熔点氧化物纳米粒子和纯金属纳米粉混合后在真空及液氮冷却条件下球磨预分散，得到混合纳米粉剂；(2)加热熔化金属铜，在螺旋电磁场和超声波共同作用下向铜液添加并分散混合纳米粉剂，高熔点氧化物纳米粒子在铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：康磊，廖相巍，宋成民，郭庆涛，尚德礼，唐雪峰，于明光，柴明亮，高冰，
申请(专利权)人：鞍钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：