[发明专利]一种低合金铸钢用非晶态变质剂及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种低合金铸钢用非晶态变质剂及其制备方法和应用。该细化剂为Ce‑Al‑Ni‑Cu‑Nb合金，其原子百分组成为Ce（58‑x）%，Al10%，Ni12.5%，Cu10.5%，Nb（9+x)%，其中，x=0‑2。本发明所采用的非晶态变质剂能够极好的利用有效细化的元素，相对于稀土传统变质剂有效地防止了元素浪费，减少了由于变质剂所带入钢液中的杂质，能够更加高效、节能的细化组织，提升性能。

技术领域

本发明属于金属材料及冶金领域，特别涉及一种低合金铸钢用非晶态变质剂。

背景技术

当下能源再生、资源可持续、环境保护等方面面临着十分严峻的挑战，航空航天、重工、交通运输等领域为了节能减排和保护环境，对材料性能提出了更高的要求。低合金铸钢由于具有合适的淬透性，经适宜的热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比(一般在0.85左右)，较高的韧性和疲劳强度和较低的韧脆转变温度等诸多优点，在工程结构材料中的应用正在日趋扩大。

目前，工业发展对合金钢的需求越来越大，同时对合金钢各项性能指标的要求越来越高。因此，世界各国的材料科研人员十分重视不同类型合金钢组织细化和强韧性的研究，为此做了大量的科研工作。在众多合金钢中，低合金钢因其强度高、较高的韧性和疲劳强度和较低的韧脆转变温度等优点而引起人们的极大关注。尽管世界各国已开发多种高强韧低合金钢，但仍不能满足航空航天以及交通运输等领域对于强度和塑性的要求，因此低合金钢在满足强度的基础上提高塑性需要深入的研究。

提高材料强度和塑性主要通过细晶强化的方式。细晶强化通过细化晶粒，增加晶界密度，增强对位错的阻碍作用，从而提高合金强度和塑性。细晶强化主要是通过在钢液中加入变质剂增加晶粒形核的异质形核核心，从而细化组织是提高合金力学性能。因此，细化晶粒是金属极为重要的强化方法。细化晶粒一般采用以下方法：(1)在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核，晶核数量愈多，则晶粒愈细，该方法对于重大铸件应用困难，很难保证高的冷却速率；(2)在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化，该方法由于在高温下操作对于搅拌设备要求较高，使用范围较窄；(3)在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些质点，作为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，这种方法由于操作简单、成本低廉可以用于实际生产。

传统的铸钢变质方法一般采用稀土变质剂或者稀土、Ti、V等元素复合变质剂，科学研究表明：加入稀土、V、Ti可以细化铸钢的晶粒，主要原因是因为稀土为表面活性元素，加入后与钢液中的残余氧结合，形成高熔点的稀土氧化物。另外，加入的V、Ti可以与钢中C、N元素形成高熔点的碳、氮化合物等。在一定的条件下这些高熔点的稀土氧化物和碳、氮化合物可作为液态金属的非匀质形核核心。

然而传统变质剂稀土、稀土以及其他元素复合变质剂等，在加入钢液中后由于发生结晶反应很难均匀的分散在钢液中，其次传统变质剂在钢液中与钢中O、C、N等元素发生反应生成化合物的种类繁多，很难保证生成化合物均可成为异质形核的核心，其与δ-Fe错配度很难控制在成为异质核心要求的范围内。再次，生成的化合物尺寸大小很难保证在纳米级，化合物结构类型也难以控制，造成元素的大量浪费，并且给钢液中引入杂质，影响钢水纯净度。因此有必要发明一种高效、节能、环保的变质剂。

发明内容

本发明目的是对目前铸钢熔炼过程中传统变质剂与钢液作用产生化合物种类繁多、尺寸差异较大、元素浪费、钢液污染等问题，提出一种更加高效、环保、节能的非晶变质剂。该变质剂的原子组成为Ce_58-xAl₁₀Ni_12.5Cu_10.5Nb_9+x，其中，x＝0-2。本发明是区别于传统铸钢用晶态变质剂的一种非晶态变质剂，该细化剂通过真空熔炼得到Ce基母合金铸锭，然后在高真空单辊甩带系统中制备非晶条带，最终在钢液出包时将非晶条带加入钢水中从而实现细化晶粒，最终提高低合金钢的强度、塑性。本变质剂细化效果显著，是一种高效、节能、环保的变质剂。