CN100513009C - 金属凝固过程中弥散植入细微异相粒子的方法和添加原料 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属的凝固与连续铸造领域，特别涉及一种金属凝固过程中弥散植入细微异相粒子的方法和添加原料，该方法是向凝固过程中的金属液内连续喂入一种由金属或合金基体以及金属氧化物组成的棒或板带，这种棒或板带中含有重量百分比0.2%～6%、尺寸为10nm～1000nm的金属氧化物，并在振动源的驱动下做高频小振幅振动，其***金属液的部分被连续熔化，而其中的高熔点的金属氧化物则在振动和流体流动的作用下被均匀弥散到整个液相中，使凝固后的金属组织中得到大量弥散分布的细微粒子。这些细微粒子不仅为金属液的凝固形成等轴晶带来大量形核核心，而且对其后的金属加工过程中的相变、热处理以及焊接等晶粒长大起到有效的抑制作用。

Description

金属凝固过程中弥散植入细微异相粒子的方法和添加原料

技术领域

本发明属于金属的凝固和连续铸造领域，特别涉及到一种金属凝固过程中细微异相粒子的弥散植入。

背景技术

随着机械制造业能力的提高和加工水平的不断进步，对高强度、高韧性钢材的需求日益增加，如汽车、工程机械、集装箱、煤矿机械等开始广泛使用了高强度的钢铁材料，又如在造船业大线能量焊接技术的应用对船体材料的再结晶细化提出了特殊要求。在传统技术中，这些材料一般采用复杂的高合金化设计生产，大大增加了材料的制造成本，因此迫切需求新的技术路线来实现低成本、高性能产品的生产。

钢液凝固过程中存在的和新析出的细小的异相粒子(或称第二相粒子)可用于钉扎晶界、细化晶粒、改善组织，这些异相粒子通常包括氧化钛、氧化锆、氧化镁、氧化铝、氧化锰等。

近年来，由于高功率、大线能量的焊接技术应用日益广泛，焊接温度进一步升高，因而需要寻找更为稳定的第二相粒子以钉扎焊接热影响区的奥氏体晶界，细化焊接后的金属组织，提高焊接热影响区的钢材强度。一般金属氧化物自由能很低，在高温下也能稳定存在，利用全属氧化物粒子改善凝固组织、细化晶粒，这一技术被称为“氧化物冶金”，它业已成为冶金材料界的研究热点之一。异相粒子在钢中的这种良好作用主要依赖于它的细小化和弥散化程度，钢中异相粒子越小弥散程度越高，其对钢组织的细化作用就越强；否则，钢中异相粒子越大、弥散程度越差，就变成了有害的夹杂物。

目前，在实际生产中在钢中获得细小弥散的异相粒子的方法主要有两个途径：一是通过控制冶炼和精炼，首先在钢水中生成大量细小的氧化物。但由于从钢水包到金属全凝固还需要较长的一段时间，一般约为1小时，在这期间部分细小的氧化物可能长大成为有害的夹杂，也是由于这种长大过程不可避免，因此很少采用该技术路线。另一种途径是在精炼过程控制极低的铝含量，采用弱脱氧工艺，以保持精炼后的钢水仍含有一定的自由氧含量(如20～30ppm自由氧)，在凝固过程中这些自由氧将析出，并与钢中合金元素钛等反应生成稳定的氧化物(见王明林，成国光等，《含钛低碳钢凝固过程钛氧化物形成热力学》，钢铁研究学报，2004，16(3)：40-43)。由于钢水凝固从液相线到固相线仅有几分钟的时间，因此所形成的氧化物粒子极小，这些细小的氧化物粒子的存在便有效的细化了凝固组织、抑制了晶粒的长大。但采用该工艺路线的缺点就是精炼后钢水中的自由氧难以控制，自由氧含量低无法形成大量的氧化物粒子，起不到细化凝固组织、抑制晶粒长大的作用；自由氧含量略高就会造成铸坯大量皮下气泡，严重影响铸坯质量。

近年来一些冶金工作者也进行了向连铸过程结晶器内添加合金元素的方法研究工作，这些工作主要分为两类：一是向结晶器内喂入包裹着合金元素的包芯线；二是通过浸入式排出管直接向结晶器内钢液喷吹或倒入合金。如中国实用新型专利“稀土喂丝机”(专利号：91203718.0)提出了一种用于浇钢过程中加稀土的喂丝机，主要由底板、直流电机、齿轮箱、减速机、导丝管、导丝管固定器、送丝轮、压丝轮、进丝速度传感器、稀土丝入口管、调压装置，转盘、摇臂、测量轮等组成。该装置不易卡丝、断丝，对于稀土丝的油、蜡能够自动清除、不会产生打滑，测丝速度真实、准确，进丝速度与拉坯速度可同步，穿丝容易，导丝管拆卸方便迅速、导丝管能随着结晶器的振动而摆动，电气故障低，占用操作平台面积小、能自动报警，操作灵活。

又如中国发明专利“一种金属液体中合金加入方法及其装置”(申请号：03116839.6)提出了一种金属液体合金加入的方法，金属液体通过浸入式排出管从金属液体存放器浇注到结晶器，在浸入式排出管中，采用喷射或喂线方式向金属液注流中加入合金材料。加入装置包括浸???入式排出管、气体密封装置、至少一个导管、感应加热器；其中，浸入式排出管两端分别与金属液体存放器和结晶器相连通，其上开有至少一个导孔；气体密封装置设置于导孔处，包括本体，其上设有至少一个气管；导管连通于浸入式排出管上的导孔；感应加热器设置于导管上。合金材料在浸入式排出管中金属液注流的高温下很快熔化，并得到强大的注流动量，与金属液极好的混合，杜绝了合金元素的氧化；且大大提高稀上元素在钢中的均匀性，提高稀土的回收率，消除水口结瘤现象。

上述两个专利都是为了向结晶器内钢液中加入可熔化的合金，如果采用上述方案向钢液中加入金属氧化物包芯线或固体金属氧化物，那么必然造成钢水污染、夹杂物增加。

针对上述技术中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种金属凝固过程中细微异相粒子的弥散植入方法和添加原料。

发明技术内容

本发明的目的在于提供一种金属凝固过程中细微异相粒子的弥散植入方法和添加原料，为金属液的凝固形成等轴晶带来大量形核核心，对其后的金属加工过程中的相变、热处理以及焊接等晶粒长大起到有效的抑制作用。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明提供了一种金属凝固过程中的细微异相粒子的弥散植入方法，是向凝固过程中的金属液3内连续不断喂入一种由金属或合金为基体以及金属氧化物组成的添加原料4，该添加原料为棒或板带，含有重量百分比0.2％～6％、尺寸大小为10nm～1000nm的金属氧化物；并在振动源5的驱动下做高频小振幅振动，其***金属液3的部分被连续熔化，其中的金属氧化物在振动和流体流动的作用下被均匀弥散到整个液相中。

添加原料4中所含的金属氧化物可以是氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氧化铝、氧化锰等的单一物质，也可以是多种氧化物的组合。

添加原料4基体可以是金属铁、铜、铝等单一金属，也可以是这些单一金属与其它几个或多个元素包括锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍等组成的合金。

这种添加原料4是由基体金属或合金的粉体与金属氧化物粉体按照一定比例混合均匀后，压制、烧结成型。烧结的目的是为了使金属或合金粉体在高温下扩散，进而成为一个整体，然后加工制造成所需尺寸规格。

为了防止喂入金属液中的添加原料4在烧结成型过程中的氧化，也可以将金属或合金粉以及金属氧化物粉体压制成型后，先包裹一层0.1～1.0mm厚的与金属基体成份相近的金属皮，如铁或铜或铝的金属皮，然后再进行烧结。

添加原料4中所含的金属氧化物总量为0.2％～6％，尺寸大小为10nm～1000nm；金属氧化物的总量不易过多，总量过多(>6％)时会使金属氧化物在添加原料4内就连接成大颗粒的片状或网状夹杂物。

基体金属或合金的粉体的各元素(包括：铁、锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍等)的颗粒尺寸为0.1～100μm。压制成的棒直径为φ10mm～φ35mm，板带的厚度为2mm～10mm、宽度为20mm～150mm。这种棒或板带的金属或合金基体熔点与所处理的金属液3的熔点相近，即低于正在处理的金属液的温度；金属或合金基体的熔点可以通过棒或板带制作过程中添加锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍等合金元素进行调整。

喂入金属液中的添加原料4在振动源5的驱动下做高频小振幅振动，其振动频率为20～3000Hz，振幅为0.05～0.3mm。

可以向连铸过程结晶器1内喂入上述添加原料4，也可以向连铸过程中间包8中喂入上述添加原料4。

向金属液中喂入添加原料4的速度为0.2～2米/分钟。

向金属液中喂入添加原料4时，可以采用振动方式喂入，也可以不采用振动方式喂入。

附图说明

图1是在结晶器中进行弥散植入的示意图。

图2是添加原料4***金属液3中熔化的示意图。

图3是在中间包中进行弥散植入的示意图。

附图标记：

1 结晶器     2 浸入式水口     3 金属液

4 添加原料   5 振动源

6 支撑导向辊 7 开卷机     8 中间包     9 大包长水口

10 添加原料     4 熔化后进入金属液中的氧化物粒子

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的实施例。

实施例1应用于结晶器中

在实际使用时，添加原料4通过开卷机7、支撑导向辊6被送入到结晶器的金属液3内(见图1)，同时添加原料4在振动源5的驱动下做高频小振幅振动，其振动频率为20～3000Hz，振幅为0.05～0.3mm。施加振动的目的是加速添加原料4的熔化，并将基体熔化后剩余的金属氧化物粒子快速弹射到金属溶体中。当添加原料4***金属液3内，由于基体金属或合金熔点低，基体金属或合金就会被熔化，而其内高熔点的金属氧化物则被保存下来，并在金属流动和振动的共同作用下均匀弥散地分布到整个金属液中(见图2)。由于从金属氧化物被弹射到金属液中到金属液全部凝固也就只有几分钟到十几分钟，因此金属氧化物在金属液中碰撞长大的几率和程度都很小；加上金属氧化物的颗粒又非常的小，已不能上浮，只能随着金属流体进行流动，所以凝固后的金属组织中可以得到大量细小尺寸的(0.1μm～2.0μm)、能够起到细化组织、抑制晶粒长大的异相细微粒子。

添加原料4的喂入金属液3速度可根据金属凝固组织对异相粒子的需求量进行调整，并要求保证添加原料4***金属液面下10～50mm范围内必须全部熔化，计算模拟和试验研究结果表明：合适的喂入速度为0.2～2米/分。

对喂入金属液3的添加原料4施加以振动的目的是为了加速添加原料4的熔化，促进其内金属氧化物在金属液中的弥散分布，因此在金属凝固组织中对金属氧化物需求量小的情况下也可以不采用振动方式。

实施例2应用于中间包

另一种实施方案是将由金属或合金基体以及金属氧化物组成的添加原料4喂入中间包中(见图3)。由于中间包钢水到全凝固也只有十几分钟，因此处理后的金属凝固组织中也可以得到大量弥散的细微异相粒子。

Claims (17)

1、一种在金属凝固过程中的细微异相粒子的弥散植入方法，其特征在于：

向凝固过程中的金属液(3)内连续地喂入一种添加原料(4)，所述添加原料(4)为棒或板带状，以金属单质或合金为基体、含有重量百分比0.2％～6％、尺寸10nm～1000nm的金属氧化物；

所述添加原料(4)在振动源(5)的驱动下做高频小振幅振动，使得添加原料(4)***金属液(3)的部分被连续熔化，其中的金属氧化物在振动和流体流动的作用下被均匀弥散到整个液相中。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加原料(4)中所含的金属氧化物为氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氧化铝、氧化锰中的至少一种或其组合。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加原料(4)的所述基体是金属铁、铜、铝中的任意一种的金属单质，或者是这些金属单质与锰、硅、铝、碳、钛、铬或镍中的至少一种组成的合金。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基体成份与金属液(3)的成份相近，熔点低于金属液(3)的温度，所述熔点能够通过向所述基体中加入锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍元素进行调整。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加原料(4)是由所述基体的粉体以及所述金属氧化物的粉体按一定比例混合均匀压制、烧结成型，然后加工制造成所需尺寸规格。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：压制成型后的所述基体的粉体以及所述金属氧化物的粉体，还包覆0.1～1.0mm厚的金属层，然后再进行烧结；所述包覆层为与所述金属单质成份相近的铁或铜或铝的金属皮。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加原料(4)在振动源(5)的驱动的振动频率为20～3000Hz，振幅为0.05～0.3mm。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加原料(4)喂入连铸过程结晶器(1)内，或者连铸过程中间包(8)中。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：向金属液中喂入添加原料(4)的速度为0.2～2米/分钟。

10、一种在金属凝固过程中的细微异相粒子的弥散植入方法，其特征在于：

向凝固过程中的金属液(3)内连续地喂入一种添加原料(4)，所述添加原料(4)为棒或板带状，以金属单质或合金为基体、含有重量百分比0.2％～6％、尺寸10nm～1000nm的金属氧化物；

所述添加原料(4)***金属液(3)的部分被连续熔化，其中的金属氧化物在流体流动的作用下被均匀弥散到整个液相中。

11、一种用于在金属凝固过程中弥散植入细微异相粒子的添加原料，其特征在于：

该添加原料(4)为棒或板带状，以金属单质或合金为基体、含有重量百分比0.2％～6％、尺寸10nm～1000nm的金属氧化物；

将上述添加原料(4)连续地喂入凝固过程中的金属液(3)内，所述添加原料(4)在振动源(5)的驱动下做高频小振幅振动，使得添加原料(4)***金属液(3)的部分被连续熔化，其中的金属氧化物在振动和流体流动的作用下被均匀弥散到整个液相中。

12、根据权利要求11所述的添加原料，其特征在于：所述添加原料(4)中所含的金属氧化物为氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氧化铝、氧化锰中的至少一种或其组合。

13、根据权利要求11所述的添加原料，其特征在于：所述基体成份与金属液(3)的成份相近，熔点低于金属液(3)的温度，所述熔点能够通过向所述基体中加入锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍元素进行调整。

14、根据权利要求11所述的添加原料，其特征在于：该原料是由所述基体的粉体以及所述金属氧化物的粉体按一定比例混合均匀压制、烧结成型，然后加工制造成所需尺寸规格。

15、根据权利要求14所述的添加原料，其特征在于：压制成型后的所述基体的粉体以及所述金属氧化物的粉体，还包括0.1～1.0mm厚的金属包覆层，然后再进行烧结；所述包覆层为与所述金属单质成份相近的铁或铜或铝的金属皮。

16、根据权利要求14所述的添加原料，其特征在于：组成所述基体的粉体的颗粒包括铁、锰、硅、铝、碳、钛、铬、镍元素的颗粒，颗粒尺寸为0.1～100μm。

17、根据权利要求11所述的添加原料，其特征在于：当添加原料为棒状时，棒的直径为φ10mm～φ35mm；当添加原料为板带状时，板带的厚度为2mm～10mm、宽度为20mm～150mm。

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