專利名稱：鐵基材料用添加劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種低電位元素Zn以純單質(zhì)形態(tài)或以此低電位元素Zn為主導(dǎo)組分制成的添加劑形態(tài)用于鐵基材料的凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化的新用途，及為此用途由該低電位元素Zn作主導(dǎo)組分制成的添加劑，屬冶金添加劑領(lǐng)域。
鐵基材料的韌性和塑性受雜質(zhì)的危害甚烈，為了改善鐵基材料的韌性和塑性，常在其熔煉或澆注時(shí)加入各種添加劑進(jìn)行凈化精煉。鐵基材料的韌性和塑性也取決于凝固組織，為了改善韌性和塑性，也常在熔煉或澆注時(shí)加入各種添加劑進(jìn)行變質(zhì)處理。一些微量元素的合金化效應(yīng)也能非常顯著地影響鐵基材料的韌性和塑性及其它性能，所以也常加入一些有益的微量元素添加劑以改善性能。如張承甫等所著《液態(tài)金屬的凈化與變質(zhì)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989.5，P318及王笑天等所著《金屬材料學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1987.9，P53所總結(jié)的，現(xiàn)今使用的添加劑所含元素為Ca、Mg、Ti、Zr、Re、B、V、Nb、N、Ta、Hf、Sc、Y等。以上這些添加元素都是人們普遍熟悉的，效果也是肯定的，已得到廣泛應(yīng)用。然而低電位元素Zn雖大量地用于制造有色合金，用于鐵基材料的表面涂覆和Zn鍍層以及化學(xué)熱處理滲Zn，卻從未用于鐵基材料的凈化精煉、變質(zhì)處理及合金化。
上述鐵基材料所用的添加元素中，其韌化效應(yīng)以Re和Ca最為顯著，Re為稀土元素，包括La系的15個(gè)元素，廣義地也包括Sc、Y2個(gè)元素共17個(gè)元素。但是由Re元素制成的添加劑存在如下一些缺點(diǎn)Re為多元素混合物，較難單獨(dú)分離，但各元素的作用效果差異顯著，這就造成了Re添加劑作用效果的不穩(wěn)定性;正由于上述原因，使用Re添加劑的最佳效果常常難以達(dá)到以及難于穩(wěn)定控制;自然界中強(qiáng)放射性元素Th常常與Re共生共存，難以完全分離，再加上Re中的La138、Ce142、Nd144、Sm147、Lu176為天然放射性同位素，從而使得Re添加劑具有非常令人擔(dān)憂的放射性，例如總α比放射性Re-Si添加劑為29.0×10-7Ci/kg，Re-Ca添加劑為21.1×10-7Ci/kg，Re-Mg添加劑為30.4×10-7Ci/kg，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為5×10-7Ci/kg，超標(biāo)3-6倍，這使得在Re添加劑的制造和使用中有可能對(duì)人造成放射性傷害和對(duì)環(huán)境造成污染;Re添加劑由于與爐襯和爐渣的相互作用，常造成水口結(jié)瘤而影響生產(chǎn);Re夾雜物在鋼錠下部的聚集會(huì)造成鋼的夾雜物污染。
Ca添加劑的缺點(diǎn)為Ca的化學(xué)活性強(qiáng)，較難保存;Ca的密度小，僅1.54g/cm3，其添加劑容易飄浮在鋼液表面而燃燒。
本發(fā)明的目的在于提供一種低電位元素Zn用于韌化鐵基材料的新用途，并且提供一種由此元素Zn為主導(dǎo)組分制得的韌化效應(yīng)優(yōu)異，作用穩(wěn)定，安全無(wú)放射性，制造、保存和使用簡(jiǎn)便，不易飄浮，價(jià)格低廉的鐵基材料用添加劑。
所述的對(duì)鐵基材料進(jìn)行凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化用的添加劑，其成分為以元素Zn為主導(dǎo)組分，元素Zn的含量為2-100%wt.，當(dāng)Zn的含量不足100%wt.時(shí)，其余為一種或一種以上的下列元素第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B;
第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al;
第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni;
第4類元素C、O、F、Cl、Br、I;
各元素總和為100%wt.。
在鐵基材料的凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化時(shí)所使用的元素Zn，由于工藝上的原因，大多情況下需要將其制造成添加劑后再使用。本發(fā)明所提供的添加劑就是由Zn為主導(dǎo)組分制得的。在本添加劑中Zn的含量為2-100%wt.，優(yōu)選含量為10-100%wt.，允許含有微量不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明所提供的添加劑的多種成分配方用以適應(yīng)不同的需要，可根據(jù)鐵基材料的成分和制造方法選用。這些配方有純Zn的單質(zhì)添加劑，有Zn-Fe、Zn-Ca、Zn-Si等二元添加劑，也有元素更多的復(fù)合添加劑。其主要配方有Zn10-70%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上。
Zn20-80%，其余為第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上。
Zn10-70%，其余為第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上;優(yōu)選成分為Zn25-40%，其余為第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上。
Zn30-85%，其余為第4類元素C、O、F、Cl、Br、I中的一種或一種以上。
Zn20-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上，第1類元素和第2類元素的配比為1-4∶1。
Zn10-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第1類元素和第3類元素的配比為1∶1-12。
Zn10-70%，其余為第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第2類元素和第3類元素的配比為1∶1-14。
Zn10-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第1類元素和第2類元素和第3類元素的配比為1-3∶1∶1-8。
Zn的含量為100%。
這里所述的鐵基材料是指Fe元素含量(%wt.)多于其它元素單個(gè)含量的材料，它包括鋼、鐵基合金、鐵基有序合金(金屬(間)化合物)、鑄鐵、鐵基硬質(zhì)合金、鐵基陶瓷等。
元素Zn大量地用于制造有色合金，也用于鐵基材料的表面涂覆和Zn鍍層以及化學(xué)熱處理滲Zn，以提高鐵基材料對(duì)環(huán)境介質(zhì)的腐蝕抗力。本發(fā)明將元素Zn用于鐵基材料的凈化精煉、變質(zhì)處理及合金化是元素Zn的一種新用途，以提高鐵基材料的韌性和塑性為主要目的。它以純單質(zhì)形態(tài)或以其為主導(dǎo)組分制成的添加劑形態(tài)使用，為不定外形的塊狀或粒狀或粉狀，是在鐵基材料的熔煉、精煉、澆注過(guò)程中，或粉末冶金過(guò)程中，或復(fù)合合成過(guò)程中將其加入鐵基材料中的，這時(shí)鐵基材料中的Zn含量為0.001-2.0%wt.。元素Zn能高效地韌化鐵基材料，其韌化效果視成分和熱處理的不同，使鐵基材料的沖擊韌性值提高20-200%，其中裂紋擴(kuò)展功提高幅度更高達(dá)200-1000%。
周期表中的Fe后元素Co、Ni、Cu、Zn、Ga均能顯著地韌化鐵基材料，尤以Zn為甚。Fe中能固溶入大量的Zn形成固溶體，α-Fe的溶Zn量室溫下為6.5%，623℃時(shí)達(dá)20%，α+ε的共析成分為Zn27.5%。782℃時(shí)γ-Fe的溶Zn量更高達(dá)46%，ε相包晶點(diǎn)含Zn74%。Zn的密度7.12g/cm3，熔點(diǎn)419.5℃，沸點(diǎn)906℃。蒸汽壓高，800℃時(shí)約200mmHg，沸點(diǎn)時(shí)達(dá)760mmHg。Zn的電位低于Fe，與O的親和力強(qiáng)于Fe。這些特性決定了熔煉時(shí)經(jīng)本添加劑處理之后的鐵基材料通常吸收較少量的Zn，并且Zn不會(huì)損害鐵基材料的熱加工工藝性。
第1類元素都程度不等地具有韌化效應(yīng)，起著加強(qiáng)Zn的韌化效應(yīng)的作用。其中Ga的特性表現(xiàn)在其化學(xué)活性較Fe強(qiáng)而較Zn弱，與P有較強(qiáng)作用。α-Fe中至少能固溶1.2%的Ga，Ga的密度5.9g/cm3，雖然熔點(diǎn)低至30℃，但沸點(diǎn)高達(dá)2100℃，且蒸汽壓很低，1125℃時(shí)為2.3×10-2mmHg。
第2類元素易于形成碳化物和氮化物，具有細(xì)化晶粒的作用，并起著協(xié)助Zn的韌化效應(yīng)的功用。
第3類元素是常用的凈化、變質(zhì)輔助元素，也起著沖淡Zn和第1類元素的功用。
第4類元素是隨帶元素，當(dāng)使用ZnO、ZnCO3、ZnCl2等作為添加劑組分時(shí)，這是隨帶進(jìn)來(lái)的。Zn的鹵化物ZnF2、ZnBr2、ZnI2具有與ZnCl2相近的性質(zhì)。這些化合物在高溫下會(huì)分解而放出Zn。
在目前冶金提純技術(shù)不能干凈分離Re中Th而導(dǎo)致Re有較強(qiáng)放射性的情況下，本發(fā)明所提供的添加劑為了安全，配方中不含Re。
添加劑的加入量以凈Zn量估算。Zn在液態(tài)鐵基材料中的吸收率視添加劑成分和加入方法不同而波動(dòng)于20-60%之間。當(dāng)Zn作為凈化精煉和變質(zhì)處理使用時(shí)，鐵基材料中Zn的殘留量以0.02-0.1%為優(yōu)，隨Zn量的增多，韌性增大，因此所加添加劑中的凈Zn量應(yīng)為鐵基材料總量的0.1-0.3%。當(dāng)Zn作為合金元素使用時(shí)，其加入量視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而定。
本發(fā)明所提供的低電位元素Zn的新用途及其添加劑具有如下優(yōu)點(diǎn)韌化效應(yīng)大，經(jīng)過(guò)本添加劑處理過(guò)的鐵基材料的韌性和塑性顯著增大，視成分和熱處理的不同，沖擊韌性總功增大20-200%，其中裂紋擴(kuò)展功增大200-1000%。韌化效應(yīng)穩(wěn)定并有遺傳性，無(wú)論是鑄態(tài)還是鍛軋態(tài)，也無(wú)論有否經(jīng)過(guò)熱處理，或經(jīng)過(guò)多次熱處理，韌化效應(yīng)始終穩(wěn)定存在。安全，無(wú)放射性危害。制造、保存和使用簡(jiǎn)易方便。價(jià)格低廉，Zn資源豐富。添加劑密度較大，不易在鋼液表面飄浮。渣液不結(jié)瘤，不影響生產(chǎn)和澆注。
本發(fā)明的非限定實(shí)施例如下例1，添加劑配方實(shí)施例(%wt.)1.Zn40-60，余為Be2.Zn30-50、Mg10-20、Ga5-10、余為Ca3.Zn50-60、余為Al4.Zn40-60、Ti10-20、余為V5.Zn25-30、余為Fe6.Zn40-50、余為Fe7.Zn10-15、余為Fe8.Zn40-50、余為Si9.Zn40-50、Mn20-30、余為Si10.Zn80.34、O19.6611.Zn52.14、C19.58、O38.2812.Zn30-40、Ti10-20、余為Ca13.Zn30-40、Mg10-20、V20-30、余為Be14.Zn30-50、Mg10-20、余為Fe15.Zn30-50、Ca30-40、余為Si
16.Zn40-50、Ti10-20、余為Fe17.Zn40-50、Vi20-30、Cu5-10、余為Mn18.Zn30-40、Mg10-20、Ti10-20、余為Fe19.Zn20-30、Ca30-40、Ga5-10、Al5-10、余為Si20.Zn100例2.添加劑效果實(shí)施例1.30Mn2B鋼，同成分兩爐對(duì)比，一爐對(duì)照，另一爐于熔煉末期向爐中加入例1的20號(hào)添加劑(Zn100%)，鋼中殘留Zn0.06%。兩爐鑄錠經(jīng)鍛造成材并退火，試樣經(jīng)870℃淬油，400℃回火，梅氏缺口試樣沖擊韌性值ak由對(duì)照爐的48.6J/cm2提高到添加劑處理爐的77.7J/cm2，提高幅度59.9%。
2.25SiMn3MoTi鋼，同爐燒注兩個(gè)錠對(duì)比，一個(gè)錠作為對(duì)照，另一個(gè)錠澆注時(shí)在澆包中加入例1的7號(hào)添加劑，(Zn10%、Fe90%)鋼中殘留Zn0.072%。鑄態(tài)制樣，經(jīng)880℃淬油，600℃回火，夏氏缺口沖擊韌性值A(chǔ)kv由對(duì)照錠的32.9J提高到添加劑處理錠的57.7J，提高幅度75.2%。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)鐵基材料進(jìn)行凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化用的添加劑，其成分為以元素Zn為主導(dǎo)組分，元素Zn的含量為2-100%wt.，當(dāng)Zn的含量不足100%wt.時(shí)，其余為一種或一種以上的下列元素第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B；第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al；第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni；第4類元素C、O、F、Cl、Br、I；各元素總和為100%wt.。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn10-70%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn20-80%，其余為第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn10-70%，其余為第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上;優(yōu)選成分為Zn25-40%，其余為第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn30-85%，其余為第4類元素C、O、F、Cl、Br、I中的一種或一種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn20-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上，第1類元素和第2類元素的配比為1-4∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn10-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第1類元素和第3類元素的配比為1∶1-12。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn10-70%，其余為第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第2類元素和第3類元素的配比為1∶1-14。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn10-60%，其余為第1類元素Li、Be、Mg、Ca、Ga、B中的一種或一種以上和第2類元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Al中的一種或一種以上和第3類元素Mn、Si、Fe、Cu、Ni中的一種或一種以上，第1類元素和第2類元素和第3類元素的配比為1-3∶1∶1-8。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加劑，其特征為Zn的含量為100%。
11.一種含Zn添加劑的用途，是在鐵基材料的熔煉、精煉、澆注過(guò)程中，或粉末冶金過(guò)程中或復(fù)合合成過(guò)程中，對(duì)鐵基材料進(jìn)行凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化，其特征為鐵基材料中的Zn含量為0.001-2%wt.。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低電位元素Zn用于鐵基材料的凈化精煉、變質(zhì)處理、合金化的新用途，及為此新用途由該元素作主導(dǎo)組分制成的添加劑。本添加劑以Zn為主導(dǎo)組分，含有Li、Be、Mg、Ca、Ga、B、Ti、Zr、Hf、V、Nb、、Ta、Al、Mn、Si、Fe、Cu、Ni、C、O、F、Cl、Br、I中的一種或一種以上。是在鐵基材料的熔煉、精煉、澆注過(guò)程中，或粉末冶金過(guò)程中，或復(fù)合合成過(guò)程中將其加入的。本添加劑高效、價(jià)廉，使用簡(jiǎn)便。其韌化效果視成分和熱處理的不同使鐵基材料的沖擊韌性值提高20—200％，使裂紋擴(kuò)展功提高200—1000％。
文檔編號(hào)C21C1/10GK1077994SQ9310643
公開(kāi)日1993年11月3日 申請(qǐng)日期1993年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月29日
發(fā)明者石崇哲 申請(qǐng)人:石崇哲