一种稀土纳米碳化硅铁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料制造领域，尤其涉及一种稀土纳米碳化硅铁合金及其制备方法。

背景技术

国内外各行业的发展对钢材性能和质量的要求越来越高，很多优特牌号钢种被开发，但是这些钢种设计体系往往含有贵重元素，以提高强韧性和耐磨性。众所周知，通过夹杂物改质变性和细化晶粒的方式，也可以提高钢的强韧性和耐磨性，同时还可以降低贵重合金用量，降低生产成本。

稀土Y是夹杂物的改质剂和分散剂，而纳米SiC颗粒可以钉扎晶界以细化晶粒，同时SiC属于硬质相，具有很高的耐磨性，因此，钢中加入Y和纳米SiC可以实现夹杂物改质和提高钢材多项力学性能。目前，向钢液中加入稀土Y和纳米SiC存在以下问题：1)Y和纳米SiC密度均低于液态钢水，加入钢水后浮在钢水表面或炉渣中；制成合金线后，必须采用喂丝机打入钢水，受合金线和喂丝机质量的影响，收得率无法稳定，且喂丝操作必须在精炼工序完成，延长工序作业时间。2)Y和纳米SiC均存在熔损现象，稀土Y容易气化和氧化，而纳米SiC粒度小，在精炼工序加入钢中后，由于软吹和吊运过程长达30min，在成品钢中往往不能检测到纳米SiC颗粒，弱化了细化晶粒效果。3)单独向钢中加入纳米SiC，在纳米SiC粒子之间、Y和纳米SiC与夹杂物之间容易发生聚集长大，导致Y和纳米SiC失效。纳米SiC采购成本较高，不利于钢种成本控制。

专利文献1：《一种纳米碳化硅与镧稀土复合孕育剂及其制备方法》CN202010965049，利用纳米碳化硅60-80份、镧稀土2-6份，制备复合孕育剂。主要作用是减轻球铁的白口倾向，促进石墨化，提高球铁的机械性能。纳米碳化硅采购成本高，以纳米碳化硅和稀土镧混合制成的复合孕育剂主要用于铸造生产，由于载体和保护性措施的缺陷，不能满足生产节奏较快的连铸生产。

专利文献2：《含纳米碳化硅的球墨铸铁和蠕墨铸铁用孕育剂及制备方法》CN201710531600.4，将纳米碳化硅与微米碳化硅复合，利用较大尺寸的微米级碳化硅颗粒携带大量的纳米碳化硅颗粒，纳米颗粒附着在微米颗粒的表面，在孕育处理过程中将多个纳米颗粒集中在微小区域加入到铁水中。该专利中微米碳化硅作为纳米碳化硅的载体，依然没有解决纳米碳化硅采购成本高、烧损的问题，同时暴露了纳米碳化硅容易附着在微米颗粒表面的问题，证明纳米碳化硅极有可能附着在微米夹杂物表面导致失效的问题，说明了采用稀土Y对钢中夹杂物改质的重要性。

专利文献3：《一种轻稀土掺杂碳化硅-铝合金及其制备方法》CN202110204905.0，通过混合轻稀土和碳化硅-铝合金得到新型复合材料，该材料具有更好的机械性能和热稳定性，同时导热性能良好，用其制造光电瞄准镜的结构件，能在获得可靠成像效果的同时，满足复杂环境使用需求。该材料不适用于钢铁冶炼生产过程，未能明确轻稀土在该专利中的作用，且该专利中提到的碳化硅颗粒不能明确达到纳米粒度。

可见，在炼钢生产过程中向钢中加入稀土Y和纳米SiC存在的问题未能有效解决。本发明提出了一种新型的稀土纳米碳化硅铁合金，该合金以纯铁为载体，使Y和纳米SiC可以采用常规合金加入方式，在任意工序同时加入钢水，破除工序限制并缩短作业时间，不会造成二次污染。独特的成分设计，利用Y强活泼性和其氧硫化物的低熔点性，优化夹杂物组成、细化夹杂物尺寸；同时Y降低钢液-纳米SiC界面张力，促进纳米SiC弥散分布。钢液中纳米SiC颗粒进一步脱氧熔损反应，减少Y氧化，提高收得率，同时使得纳米SiC尺寸更细小。在后续凝固和热加工过程中，固溶Y和弥散的纳米SiC颗粒共同作用，提升钢材强韧性和耐磨性能。本发明采用微米SiC、稀土Y和纯铁制备稀土纳米碳化硅铁合金，不仅大幅降低纳米SiC采购成本，使用过程也破除工序限制并缩短作业时间，在生产端和使用端都可以实现降低能源消耗和环境负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种稀土纳米碳化硅铁合金及其制备方法，该合金主要用于高强高韧性钢夹杂物改质和组织细化。本发明解决了纳米SiC采购成本高，难以加入钢中和加入钢中熔损的问题，在熔融纯铁中加入微米级SiC颗粒，通过工艺控制得到分散的纳米级SiC颗粒，用于提升钢的性能。稀土纳米碳化硅铁合金中Y用于改质钢中夹杂物，提高夹杂物界面张力，防止钢中夹杂物吸附纳米SiC，影响对钢性能的提升；反之SiC中-4价态碳的强还原性可以有效提高稀土收得率，减少稀土烧损。将稀土Y和纳米SiC以铁合金为载体一次性加入钢中，起到良好的保护加入作用，同时避免冶炼时序延长。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种稀土纳米碳化硅铁合金，所述稀土纳米碳化硅铁合金包括纳米碳化硅、稀土Y、铁，其质量百分比分别为5％-10％、10％-20％、70％-85％。

进一步的，制备稀土纳米碳化硅铁合金的原料为200-400目纯碳化硅颗粒，稀土Y含量为60％-90％的稀土合金，符合标准要求的纯铁棒。

进一步的，纯铁棒的牌号为YT

一种稀土纳米碳化硅铁合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料和烘干：按照配料总量100份计，需要200-400目纯碳化硅颗粒12-32份，稀土Y含量为60％-90％的稀土合金需要6-16份，纯铁棒70-85份；

(2)纯铁熔化：制备纳米碳化硅铁合金所用电炉熔池必须洗炉，防止耐火材料导致合金增氢；

(3)碳化硅和稀土加入时机和熔炼时间：微米碳化硅在熔池中熔炼时间按碳化硅粒度分布下限的颗粒尺寸数值/0.5计算，熔炼时间范围为30-80min；稀土钇的合适加入时间为碳化硅加入后2-10min；

(4)合金熔体快冷脆化：模具采用铸铁模，合金熔体进入模具成形后，对模具进行喷水，保证冷却速度大于15℃/s，提高合金脆性，便于破碎操作。

进一步的，为防止稀土纳米碳化硅铁合金使用导致钢水增氢，所有原料必须烘干，烘干时间＝制备用原料直径*0.1h。

进一步的，在1520-1550℃纯铁熔体中加入微米级碳化硅颗粒，熔炼(碳化硅最小粒度/0.5)min，通过控制微米碳化硅熔损，得到分散的纳米级碳化硅颗粒，用于加入钢中提升钢的性能。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

在钢铁冶炼过程中，采用本发明制备的稀土纳米碳化硅铁合金只需一次性加入即可，与稀土Y和纳米碳化硅分步加入钢中所用时间相比，其优势毋庸置疑。

采用稀土纳米碳化硅铁合金生产的高强钢力学性能明显提升。如下表2所示，稀土纳米碳化硅铁合金生产的高强钢的强韧性、耐磨性均有提高。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为稀土纳米碳化硅铁合金中纳米碳化硅形貌；

图2为稀土纳米碳化硅铁合金中纳米碳化硅能谱；

图3为稀土纳米碳化硅铁合金使用工艺流程；

图4为稀土纳米碳化硅铁合金包装及实物加入过程；

图5为钢中碳化硅颗粒形貌；

图6为钢中稀土夹杂物形貌。

具体实施方式

实施例1

1.稀土纳米碳化硅铁合金制备需要的原料为200-400目纯碳化硅颗粒，稀土Y含量为60％-90％的稀土合金，符合标准要求的纯铁棒(牌号为YT1F或YT2F)。

其制备方法包括以下步骤：

(1)配料和烘干：按照配料总量100份计，需要200-400目纯碳化硅颗粒6-16份，稀土Y含量为60％-90％的稀土合金需要6-16份，纯铁棒74-90份。将原料放置于烘干槽中，在200-300℃下烘干，烘干时间和所用纯铁棒规格相关，烘干时间计算公式＝纯铁棒直径*0.1h/mm；

(2)纯铁熔融：将烘干后的工业纯铁在电炉中熔融，生产稀土纳米碳化硅铁合金前电炉熔池必须洗炉，防止耐火材料导致合金增氢；

(3)碳化硅熔融：熔池中出现液体后，向熔融纯铁液中加入烘干后的200-400目纯碳化硅颗粒，此时纯铁液温度不低于1525℃并以稳定功率持续供电，保证熔池搅拌效果；微米碳化硅在熔池中停留时间为30-80min，停留时间＝(微米碳化硅最小粒度/0.5)min。冶炼全过程保持真空状态。

(4)稀土Y熔融：稀土钇在微米碳化硅加入10min后加入，将烘干后的稀土Y含量为10％-90％的稀土合金加入熔融纯铁液中，冶炼全过程保持真空状态。

(5)稀土纳米碳化硅铁合金成形和破碎：将制备好的稀土纳米碳化硅铁合金液倒入准备好的方形铸铁模具中，冷却成形后，对模具进行喷水，保证冷却速度大于15℃/s，在破碎机中制成平均粒度20mm的合金块，采用桶装或袋装，规格为25kg/桶(袋)。

2.稀土纳米碳化硅铁合金适用于高强高韧钢连铸生产过程，高强高韧钢连铸生产工艺流程为：铁水预处理--顶底复吹转炉冶炼--LF炉外精炼--VD/RH真空精炼--连铸，稀土纳米碳化硅铁合金使用工艺流程如下图3所示。从图3中可以看出，稀土纳米碳化硅铁合金使用工艺流程缩短，优势明显。

3.稀土纳米碳化硅铁合金实物照片及加入过程照片如图4所示，从图中可以看出，稀土纳米碳化硅铁合金包装合理加入过程简便、安全，进入钢液后稀土纳米碳化硅铁合金可以快速进入钢水，并发挥作用。

4.稀土纳米碳化硅铁合金加入钢中后钢中纳米碳化硅颗粒及稀土改质后的夹杂物形貌如下图5和6所示。

本发明中：

碳化硅中-4价态的碳有较强还原性，在微米碳化硅加入纯铁熔体之后加入稀土Y，可以有效减少烧损，提高Y的收得率，实现收得率95％以上。

在炼钢过程中加入稀土纳米碳化硅铁合金，利用Y提高夹杂物界面张力，可以防止夹杂物吸附纳米碳化硅而导致纳米碳化硅尺寸增大，影响对钢性能的提升效果。

稀土和纳米碳化硅单独作为夹杂物改质剂或强化剂加入钢中时，不仅容易烧损，分步加入还导致冶炼时序延长，将稀土和纳米碳化硅以铁合金为载体一次性加入钢中，不但可以发挥两者的有益作用，同时还可以避免冶炼时序延长。

(1)采用微米碳化硅制备出纳米级碳化硅，大幅降低原理采购成本。纳米碳化硅采购成本和微米碳化硅采购成本如下表1所示。

表1微米碳化硅和纳米碳化硅采购成本比较

采用本发明提出的方式制备稀土纳米碳化硅铁合金，合金中的纳米碳化硅颗粒形貌及其能谱如图1和图2所示。

在钢铁冶炼过程中，采用本发明制备的稀土纳米碳化硅铁合金只需一次性加入即可，与稀土Y和纳米碳化硅分步加入钢中所用时间相比，其优势毋庸置疑。

(2)采用稀土纳米碳化硅铁合金生产的高强钢力学性能明显提升。如下表2所示，稀土纳米碳化硅铁合金生产的高强钢的强韧性、耐磨性均有提高。

表2高强钢力学性能标准及采用常规合金和采用本专利所述合金生产的钢力学性能比较

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。