CN109482871A - 硅铬钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种硅铬钛合金及其制备方法，包括以下重量百分数的组分：Si：12～35％，Cr：3～19％，Ti：8～26％，余量为Fe。硅铬钛合金是将各组分通过焙烧还原工艺制备得到。该合金可以同时取代硅铁、铬铁和钛铁合金，解决了合金元素含量的匹配问题。

Description

硅铬钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铁基合金技术领域，具体涉及一种硅铬钛合金及其制备方法。
背景技术
钢的合金化通常以锰铁、硅铁、铬铁等为主，微合金是指在主铁合金的基础上再添加微量的铌、钒、钛等形成碳氮物元素的铁合金，广泛应用于生产高强度钢筋、低合金高强度钢和管线钢等。
上述锰铁、硅铁、铬铁等均属于铁合金领域，铁合金常用作炼钢及铸造的添加剂。CN101984122的专利申请公开了一种低合金耐磨钢，其化学成分按重量百分比计包括0.38％～0.48％的C，0.9％～2.5％的Si，1.5％～2.5％的Mn，1.4％～2.0％的Cr，0.0008％～0.003％的B，0.01％～0.04％的Ce，不超过0.04％的P，不超过0.04％的S，余量是Fe和不可避免的杂质。该耐磨钢具有较高的硬度、韧性和耐磨性，综合性能优良，可用于混砂机刮板、破碎机的锤头或分级机的筒筛挡板等多种工业耐磨场合。
在钢铁冶金领域经常用硅铁合金、铬铁合金、钛铁合金对钢水进行合金化。如果硅铁、铬铁、钛铁几种合金联合使用，其应用范围将有所拓宽，既能用于炼钢及铸造时的合金剂和还原剂，还可用于钢水的微合金化强化剂，还可用于钢水和铸钢的深度脱氧剂。然而，将上述合金的联合使用会存在如下问题：
1)几种合金元素含量的匹配问题以及作为合金剂、脱氧剂和钢水强化剂的综合效果难以达到预期目标，又使联合使用受到限制；2)制备硅铁、铬铁和钛铁合金一般都要求比较纯的含硅材料、含铬材料、含钛材料，再按确定的成分配比，并进行电炉还原熔炼，成本较高；3)硅铁、铬铁和钛铁合金中的单质元素在钢水微合金化强化过程中，主要是固溶强化，不同的单质元素Si、Cr、Ti固溶强化效果也不同；另一方面固溶强化与析出强化相比，后者效果远远优于前者。而使硅铁、铬铁和钛铁用于钢质微合金强化效果不能充分体现。
发明内容
本发明提出一种硅铬钛合金，该合金可以同时取代硅铁、铬铁和钛铁合金，解决了合金元素含量的匹配问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分
Si：12～35％，Cr：3～19％，Ti：8～26％，余量为Fe。
优选地，还包括C与N，所述C的含量为0.1～7.0％，所述N的含量为4～21％。
优选地，还包括B、Nb、V与Mn，所述B的含量为小于等于4.7％，所述Nb的含量为小于等于5.0％，所述V的含量小于等于6％，所述Mn的含量为小于等于6.5％
优选地，还包括Ca、Mg和Al，所述Ca的含量小于等于3.5％，所述Mg的含量小于等于1.8％，所述Al的含量为小于等于4.5％。
优选地，还包括Ca、Mg和Al，所述Ca的含量小于等于3.5％，所述Mg的含量小于等于1.8％，所述Al的含量为小于等于4.5％。
优选地，所述硅铬钛合金是将各组分通过焙烧还原工艺制备得到。
本发明的另一个目的是提供一种硅铬钛合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物；结合剂的添加量为粉料重量的2～3％，还原剂的添加量为粉料重量的10～26％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体，烧结温度为800～1550℃，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
优选地，所述原料为含组分的单质材料、含组分的化合物材料或者含组分的单质材料及其化合物材料的混合材料。
优选地，所述结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；所述还原剂为碳粉、硅粉与铝粉中的一种或者多种，所述碳粉中碳含量≧95％，所述硅粉中硅含量为≧98％，所述铝粉的铝含量为≧96％。
优选地，所述步骤3)的保护性气体为氩气与氮气的混合气体；还原烧结具体条件为：先将温度升温至800～900℃，保温2～3h,继续升温至1150～1250℃，保温3～4h,再升温至1450℃～1550℃，保温2.5～3.5h。
本发明的有益效果：
1)本发明对硅铬钛合金成分进行优化，同时取代硅铁、铬铁和钛铁合金，简化了应用过程，有效拓宽到硅铬合金和硅钒合金的应用范围，解决了合金元素含量的匹配问题，达到了预期效果。
2)本发明对硅铬钛合金成分合理优化及制备方法选择焙烧还原，对使用的原料不再像传统合金那样纯度要求比较苛刻。本发明可以选用或添加含有Si、Cr、Ti化合物的副产品或者是渣料，使其制造成本大幅度下降，综合成本比单一的硅铁、铬铁、钛铁合金降低50％以上，同时给某些产品生产过程中的固废处理提供了新的有效途径，安全环保无废弃物排放。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
本发明基本核心的技术方案为：一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：12～35％，Cr：3～19％，Ti：8～26％，余量为Fe。
在一些优选实施例中，我们选择添加C与N，建议C的含量为0.1～7.0％，N的含量为4～21％。这是由于适量的C、N，使合金中形成Si、Cr、Ti复合氮化物和碳氮化物，不仅形成氮化物和碳氮化物，而且形成多元的复合氮化物和碳氮化物，且物相结构均匀，对合金中Si、Cr与Ti强化效果的发挥显著增强。
在一些优选实施例中，我们选择在C与N的基础上面添加的B、Nb、V与Mn或者单独添加B、Nb、V与Mn，建议B的含量为小于等于4.7％，Nb的含量为小于等于5.0％，V的含量小于等于6％，Mn的含量为小于等于6.5％。合金中含有适量的B、Nb、V、Mn对钢质机械性能强化起到有效增强作用。
在一些优选实施例中，我们选择在C与N的基础上面添加Ca、Mg和Al或者单独添加Ca、Mg和Al，建议Ca的含量小于等于3.5％，Mg的含量小于等于1.8％，Al的含量为小于等于4.5％。如硅铬钛合金作为钢水或铸钢合金过程中的还原剂或脱氧剂，合金中有适量的Ca、Mg与Al是十分有利的，同时又限制含量在一定范围，而保证了硅铬钛合金在其它方面的应用不受影响。
本发明的硅铬钛合金是将各组分通过焙烧还原工艺制备得到。
在一些制备实施例中，结合剂选择纳米材料改性酚醛树脂。选择这样的结合剂主要考虑如下：1)纳米级材料分散性好，结合强度均匀。2)纳米级材料在后期阶段的烧结性好，可提高新型合金的致密性和强度。3)结合剂中的碳可以完全被利用。4)结合剂给合金的最终产品附带的杂质很少。
在本发明整个制备实施例中，作为主元素的Si、Cr与Ti，及其他辅助元素均是均采取分段选择还原，且在同一炉内以其连续的工艺过程实现。根据各元素的热力学特性，趋利避害，达到其成分的精准控制。
在本发明整个制备实施例中，还原剂的选择也有独到之处。如C是通用的还原剂，还原过程中一般是吸热反应，对某些元素化合物还原的温度要求过高，但C还原元素氧化物对还原气氛真空度的敏感性好，易于控制其真空度达到预期目标。如Si与Al是偏强的还原剂，还原过程中一般是放热反应，在还原过程中可使局部还原温度达到很高，对大多数元素的氧化物都能使其还原，本发明将C、Si、Al几种还原剂合理选配同时对炉膛内温度和真空度进行控制，保证硅铬钛合金成分精准地达到预期目标值。
在一些制备实施例中，保护性气体选择氩气与氮气等均可作为保护气体，本发明优选混合保护气体按一定比例混合一道使用，取得了优越的效果。
在一些制备实施例中，选用或添加含有Si、Cr、Ti化合物的副产品或者是渣料，使其制造成本大幅度下降，综合成本比单一的硅铁、铬铁、钛铁合金降低50％以上，同时给某些产品生产过程中的固废处理提供了新的有效途径。
在一些制备实施例中，金属硅主要成分为：Si≥98％，硅铁主要成分为Si≥65％，三氧化二铬主要成分：Cr2O3≥80％，氧化钛主要成为：TiO2≥85％。
在一些制备实施例中，含有硅、铬、钛的渣料和含有Si、Cr、Ti等元素化合物的副产品主要成分为：SiO2：22～35％，Cr2O3:14～26％，TiO:30～50％，同时还有适量的CaO、MgO、Al2O3、B2O3、NbO、V2O5等物质。
实施例1
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：12％，Cr：3％，Ti：26％，余量为Fe。
硅铬钛合金的制备方法：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；原料为含组分的单质材料；
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物，制成块状或球团；结合剂的添加量为粉料重量的2％，还原剂的添加量为粉料重量的10％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体(保护性气体为氩气与氮气的混合气体)，先将温度升温至900℃，保温2h,继续升温至1150℃，保温4h,再升温至1550℃，保温2.5h，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；还原剂为碳粉、硅粉与铝粉，碳粉中碳含量≧95％，硅粉中硅含量为≧98％，铝粉的铝含量为≧96％。
实施例2
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：21％，Cr：12％，Ti：18％，C：0.1％，N：4％，余量为Fe。
硅铬钛合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；原料为含组分的单质材料；
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物；结合剂的添加量为粉料重量的3％，还原剂的添加量为粉料重量的16％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体(保护性气体为氩气与氮气的混合气体)，先将温度升温至800℃，保温3h,继续升温至1200℃，保温3h,再升温至1480℃，保温3.5h，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；还原剂为碳粉、硅粉与铝粉，碳粉中碳含量≧95％，硅粉中硅含量为≧98％，铝粉的铝含量为≧96％。
实施例3
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：30％，Cr：19％，Ti：21％，C：5％，N：13％，B：3％、Nb：5.0％、V：4％、Mn：6.5％，Ca：3.5％，Mg：1.8％，Al：1.0％，余量为Fe。
硅铬钛合金的制备方法：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；原料具体为：含有硅、铬、钛的渣料和含有Si、Cr、Ti等元素化合物的副产品主要成分为：SiO2：22～35％，Cr2O3:14～26％，TiO:30～50％，同时含有CaO≤7.5％、MgO≤5％、Al2O3≤3％、B2O3≤10％、NbO≤9.5％、V2O5≤8％。
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物，制成块状或球团；结合剂的添加量为粉料重量的3％，还原剂的添加量为粉料重量的12％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体(保护性气体为氩气与氮气的混合气体)，先升温至850℃，保温2h,再升温至1200℃，保温3h,再升温至1550℃，保温3.5h，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；还原剂为碳粉、硅粉与铝粉，碳粉中碳含量≧95％，硅粉中硅含量为≧98％，铝粉的铝含量为≧96％。
实施例4
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：35％，Cr：5％，Ti：8％，C：3％，N：21％，B：4.7％、Nb：3.2％、V：6.0％、Mn：5％，余量为Fe。
硅铬钛合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；原料为含组分的单质材料及其化合物材料的混合材料。
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物；结合剂的添加量为粉料重量的3％，还原剂的添加量为粉料重量的26％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体(保护性气体为氩气与氮气的混合气体)，先将温度升温至850℃，保温2.5h,继续升温至1160℃，保温3h,再升温至1500℃，保温3h，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
结合剂为纳米材料改性酚醛树脂，纳米材料改性酚醛树脂中的碳含量≧62％；还原剂为碳粉、硅粉与铝粉，碳粉中碳含量≧95％，硅粉中硅含量为≧98％，铝粉的铝含量为≧96％。
实施例5
一种硅铬钛合金，包括以下重量百分数的组分：
Si：21％，Cr：19％，Ti：13％，C：7.0％，N：17％，Ca：2.0％，Mg：1％，Al：4.5％，余量为Fe。
硅铬钛合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；原料为含组分的单质材料及其化合物材料的混合材料。
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物，制成块状或球团；结合剂的添加量为粉料重量的2％，还原剂的添加量为粉料重量的16％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体(保护性气体为氩气与氮气的混合气体)，先将温度升温至900℃，保温2h,继续升温至1250℃，保温3.5h,再升温至1550℃，保温2.5h，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；还原剂为碳粉、硅粉与铝粉，碳粉中碳含量≧95％，硅粉中硅含量为≧98％，铝粉的铝含量为≧96％。
试验例
以实施例3硅铬钛合金为实验组，硅铬合金+硅钛合金为对照组进行分别用在钢水脱氧、钢水合金化和钢质微合金化，前者脱氧效果好且稳定，合金收得率高且稳定，钢质强化效果优且稳定，具体结果见表1。
表1

Claims (10)

1.一种硅铬钛合金，其特征在于，包括以下重量百分数的组分：
Si：12～35％，Cr：3～19％，Ti：8～26％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的硅铬钛合金，其特征在于，还包括C与N，所述C的含量为0.1～7.0％，所述N的含量为4～21％。
3.根据权利要求1或2所述的硅铬钛合金，其特征在于，还包括B、Nb、V与Mn，所述B的含量为小于等于4.7％，所述Nb的含量为小于等于5.0％，所述V的含量小于等于6％，所述Mn的含量为小于等于6.5％。
4.根据权利要求1或2所述的硅铬钛合金，其特征在于，还包括Ca、Mg和Al，所述Ca的含量小于等于3.5％，所述Mg的含量小于等于1.8％，所述Al的含量为小于等于4.5％。
5.根据权利要求3所述的硅铬钛合金，其特征在于，还包括Ca、Mg和Al，所述Ca的含量小于等于3.5％，所述Mg的含量小于等于1.8％，所述Al的含量为小于等于4.5％。
6.根据权利要求1所述的硅铬钛合金，其特征在于，所述硅铬钛合金是将各组分通过焙烧还原工艺制备得到。
7.如权利要求1至6任意一项所述的硅铬钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原料预处理：按照配比称取各组分的原料，然后进行除杂质与水分，再进行细磨分化，得到粉料；
2)将步骤1)的粉料、结合剂与还原剂进行混合均匀，得到混合物；结合剂的添加量为粉料重量的2～3％，还原剂的添加量为粉料重量的10～26％；
3)将混合物加入到还原烧结炉内进行还原烧结并向炉内充入保护气体，烧结温度为800～1550℃，烧结结束后缓冷至300℃以下出炉即可。
8.根据权利要求7所述的硅铬钛合金的制备方法，其特征在于，所述原料为含组分的单质材料、含组分的化合物材料或者含组分的单质材料及其化合物材料的混合材料。
9.根据权利要求7所述的硅铬钛合金的制备方法，其特征在于，所述结合剂为纳米材料改性酚醛树脂；所述还原剂为碳粉、硅粉与铝粉中的一种或者多种，所述碳粉中碳含量≧95％，所述硅粉中硅含量为≧98％，所述铝粉的铝含量为≧96％。
10.根据权利要求7所述的硅铬钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的保护性气体为氩气与氮气的混合气体；还原烧结具体条件为：先将温度升温至800～900℃，保温2～3h,继续升温至1150～1250℃，保温3～4h,再升温至1450℃～1550℃，保温2.5～3.5h。
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