等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，有以下步驟：1）將鋼坯安裝于冶煉設備上，鋼坯位于結晶器的上方，抽真空；2）3～6個等離子槍呈輻射狀均勻分布在坯料的底部，調節等離子槍的角度與水平方向的角度為30°～60°，等離子槍與坯料之間保持有距離；3）啟動等離子發生器開關，熔煉，鋼坯熔化并呈熔滴狀落入結晶器的金屬熔池中；4）結晶器中的鋼液冷卻為鋼錠，得到加氮的鑄錠材料。采用本發明方法得到的氮的含量提高一倍的高氮鋼和高氮合金，其具有優異的機械性能，牢固度高、塑性好、抗沖擊性強、耐腐蝕性強。
【專利說明】等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種金屬冶煉方法，具體是一種用等離子弧冶煉含氮金屬材料的方法。
【背景技術】
[0002]氮是煉鋼的合金元素，添加氮可以擴大奧氏體(、)范圍，起到的作用類似于碳、鎳、錳。然而，不銹鋼中碳的含量不宜超過一定限度，否則會降低鋼的耐腐蝕性能。錳是有力的奧氏體元素，但是它會限制鉻的含量，不能過高，否則就不能形成奧氏體結構。鋼的成分中鉻含量過高就會摻雜甚至變成鐵素體(σ相)。所以最經濟的獲得高級奧氏體不銹鋼的途徑，就是用氮替代一部分鎳，0.1%氮相當于1.5~2.5%鎳。
[0003]在鋼中增加氮的含量會降低甚至完全去除鐵素體成分，這就提高了奧氏體不銹鋼抗腐蝕性能和牢固度，同時不會降低其塑性。
[0004]當前高氮鋼等金屬材料冶煉技術方法主要是利用昂貴的含氮鐵合金將氮加入熔煉的不銹鋼中，或者采用高壓氮氣合金化兩種方式，所加入氮的含量不會超過氮在那種鋼中的溶解度(液相線溫度條件下)。其中，加入含氮鐵合金的方式價格昂貴，且金屬材料所獲得的氮含量有限，最高氮含量均<0.85%，同時，采用加入含氮鐵合金的方法使合金中的碳過高，降低鋼的耐腐蝕性能；高壓氮氣合金化由于真空室中充氮的壓力有限，在液相線溫度條件下溶解度有限，得到的最高含氮量均< 0.7%。

【發明內容】

[0005]針對上述不足，本發明提供一種等離子弧加氮冶煉金屬材料的方法，采用該方法得到的氮的含量提高一倍的高氮鋼和高氮合金，其具有優異的機械性能，牢固度高、塑性好、抗沖擊性強、耐腐蝕性強。
[0006]本發明的技術方案是:
用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，有以下步驟:
1)將鋼坯安裝于冶煉設備的電極夾持臂上，使鋼坯位于結晶器的上方，抽真空使熔煉爐內為真空的氣氛，真空度達到0.5Pa以下；
2)至少3個所用氣體為氬氮混合氣體的等離子槍呈輻射狀均勻分布在坯料的底部，調節等離子槍的角度與水平方向的角度為30°~60°，等離子槍與坯料之間有距離；
3)啟動等離子發生器開關，熔煉，鋼坯熔化并呈熔滴狀落入結晶器的金屬熔池中；
4)結晶器中的鋼液冷卻為鋼錠，得到加氮的鑄錠材料。
[0007]進一步的技術方案是，步驟3)所述的產生等離子氣體用氬一氮混合氣體中氮含量為 10 ~90wt%。
[0008]進一步的技術方案是，結晶器直徑的2/3≤鋼坯的直徑≤結晶器直徑。
[0009]進一步的技術方案是，步驟2)所述等離子槍與坯料之間的距離為2mm~15mm。
[0010]進一步的技術方案是，步驟4)所述的等離子槍個數為3~6個，氮氬氣壓力范圍0.3 ~IMPa。
[0011]進一步的技術方案是，步驟4)所述加氮的鑄錠材料的氮含量為0~1.2wt%。
[0012]采用本發明技術方案，可以不使用含氮鐵合金，用等離子槍向熔化的鋼水滴直接添加廉價的氣態氮，充分發揮等離子氣的作用。采用本發明方法向熔化的鋼水滴直接加氮具有以下優點:1.是可以避免鐵素體成分，提高奧氏體鋼抗腐蝕性和牢固度；2.氮的含量可以提高一倍作用；3.冶煉過程中氣體成分、爐內壓力、熔煉速度和鋼水溫度可以調節，可以煉出任何化學成分的鋼與合金。
[0013]采用本發明所述方法，將等離子槍呈輻射狀分布在消耗性坯料周圍，可以均勻地熔化鋼坯的下端，并通過調整等離子槍的位置、角度，以保證結晶器內的金屬熔池均勻受熱。由于鋼坯的底部熔化的金屬以點滴狀落入下方金屬熔池，形成了極為豐富的能與含氮等離子弧相互作用的表面。等離子弧中含有被激化的氮分子，與熔池中大面積的液態金屬表面相接觸，很快就使金屬充滿氮。
[0014]采用本發明所述方法，按計算規定的量直接添加氬一氮等離子，不使用含氮合金材料，使金屬材料氮合金化，因此，金屬材料中氮的濃度可以超過其標準溶解度，為制備資源節約經濟型含氮金屬材料開拓了廣泛的前景。
[0015]本發明所述方法僅涉及金屬冶煉階段，因此，其成本低，所獲得的經濟效益就能占到噸鋼價值的5%到8%。
[0016]采用本發明所述方法得到的高氮鋼和高氮合金鋼錠，沒有表層下的孔隙和疏松結構，得到的是高氮奧氏體不銹鋼，具有優異的機械性能，牢固度高、塑性好、抗沖擊性強、耐腐蝕性強。本方法可按需 冶煉各種含氮量的金屬。
[0017]本發明具有以下特點和效果:
1)實現快速在坯料下端的熔滴和熔池大面積表面滲入氮的目的；
2)等離子弧兼具熔煉坯料和等離子化氬一氮氣體作用，能量利用率高；
3)可使熔煉的含氮金屬材料氮含量在一定寬度的范圍內調節，氮含量分布均勻；
4)熔煉所得金屬材料鑄錠長度可根據需要進行設計調整，鑄錠從結晶器下方拉出簡便可行，在設備附件及場地匹配允許情況下，可制備3噸以上的鑄錠。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
將冶煉制得不含氮元素的FeCrl7Mnl4Mo2不銹鋼坯料，直徑Φ 135mm (結晶器直徑的2/3 <鋼坯的直徑<結晶器直徑)，安裝于密封的熔爐內的電極夾持臂上，鋼坯位于結晶器的上方，抽真空至0.08Pa。等離子槍采用的氬一氮混合氣體中氮含量60wt%，三個等離子槍(等離子氣體)呈輻射狀均勻分布在坯料的底部，調節等離子槍的角度至與水平方向呈45°，等離子槍與坯料之間2~15_的距離，對準坯料底端，調整氮氬氣的壓力至0.4MPa。啟動等離子發生器開關，讓氮離子充滿坯料底端周圍，熔煉。所述不銹鋼坯料在絲杠機構的運行下按鋼坯消耗的速度按一定速率自動進給，速率可調并設定。當熔池高度增加時，結晶器向鑄錠高度增長方向手動/自動調節移動速率，保證熔池與坯料底端的距離始終為10~20_，滿足冶煉的穩定性，獲得大型的鑄錠，熔煉所得的鑄錠長度可根據調整坯料重量來實現，還料重量越大，冶煉所得鑄錠越大。[0019]金屬氮含量可通過調節氬一氮氣體氮含量比例來調節熔煉所得金屬材料的氮含量，具體為一個氮氣瓶和一個氬氣瓶，兩瓶根據需要的比例摻兌出設計的氮氬混合氣，再通過帶有流量計的輸氣管輸運，用作等離子氣源；等離子氣直接作用于坯料底端及融化的鋼滴，添加廉價的氣態氮，讓鋼水中的氮含量超出氮在普通鋼水中的溶解動力學含量。鑄錠中氮含量的增加，通過增加氬氮等離子氣體中氮含量配比的提高來實現。
[0020]金屬氮含量可通過氬氮混合物中氮的濃度、密封熔爐內的壓力、以及等離子弧的電流強度來調節。
[0021]熔煉的金屬材料在結晶器中逐漸冷卻的鋼錠，從熔爐下方抽拉出來。
[0022]本實施例熔煉所得不銹鋼，經檢測其含氮量0.72wt%,制得的材料抗拉強度1120MPa,屈服強度 980MPa。
[0023]實施例2 實施例2除以下內容與實施例1不同外，其余相同:將前期制得的氮含量為0.2wt%的CrMo合金結構鋼還料，直徑Φ 120mm,安裝于真空室頂部，采用環周均布的4個等離子槍,抽真空至0.2Pa，等離子槍氬-氮混合氣，其中氮含量90wt%，調節等離子槍的角度至與水平方向呈60°，等離子槍與坯料之間2~15mm的距離，對準坯料底端，調整氮氬氣的壓力至
0.5Mpa，啟動等離子發生器開關，讓氮離子充滿坯料底端周圍，開始熔煉。
[0024]經檢測，熔煉所得合金結構鋼的含氮量1.0wt%，時效熱處理態的抗拉強度達到2100MPa，疲勞強度提高1倍。
[0025]實施例3
除以下內容與實施例1不同外，其余相同:將高溫軸承鋼10Crl4Mo的坯料，直徑Φ 120mm,安裝于真空室頂部，采用環周均布的5個等離子槍,抽真空至0.3Pa,等離子槍使用氬-氮混合氣的氮含量45wt%，調節等離子槍的角度至與水平方向呈30°，等離子槍與坯料之間2~15_的距離，對準坯料底端，調整氮氬氣的壓力至0.7Mpa，啟動等離子發生器開關，讓氮離子充滿坯料底端周圍，開始熔煉。
[0026]經檢測，熔煉所得合金結構鋼的含氮量0.42wt%,該材料的耐磨性在室溫和300°C高溫時的耐磨性提高1倍以上。
[0027]實施例4
除以下內容與實施例1不同外，其余相同:將按份添加的316L原料壓制成Φ 150mm直徑的坯料，安裝于真空室頂部，采用環周均布的5個等離子槍，抽真空至0.5Pa，等離子槍使用氬-氮混合氣的氮含量為75wt%，調節等離子槍的角度至與水平方向呈55°，等離子槍與坯料之間2~15_的距離，對準坯料底端，調整氮氬氣的壓力至IMpa，啟動等離子發生器開關，讓氮離子充滿坯料底端周圍，開始熔煉。
[0028]經檢測，熔煉所得合金結構鋼的含氮量0.62wt%，該材料的室溫抗拉強度由480MPa提高到850MPa以上。
【權利要求】
1.一種用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，其特征在于，有以下步驟:1)將鋼坯安裝于冶煉設備的電極夾持臂上，使鋼坯位于結晶器的上方，抽真空使熔煉爐內為真空的氣氛，真空度達到0.5Pa以下；2)至少3個所用氣體為氬氮混合氣體的等離子槍呈輻射狀均勻分布在坯料的底部，調節等離子槍的角度與水平方向的角度為30°~60°，等離子槍與坯料之間保持有距離；3)啟動等離子發生器開關，熔煉，鋼坯熔化并呈熔滴狀落入結晶器的金屬熔池中；4)結晶器中的鋼液冷卻為鋼錠，得到加氮的鑄錠材料。
2.根據權利要 求1所述的方法，其特征在于:步驟3)所述的產生等離子氣體采用氬一氮混合氣體，其中氮含量為10~90wt%。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:結晶器直徑的2/3<鋼坯的直徑<結晶器直徑。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)所述等離子槍與坯料之間的距離為2~15mm。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟4)所述的等離子槍個數為3~6個，氮気氣壓力范圍0.3~IMPa。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟4)所述加氮的鑄錠材料的氮含量為0~1.2wt%0
【文檔編號】C22B9/00GK103667729SQ201310650075
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】鄒興政, 王宏, 張十慶, 劉洋, 李方, 唐銳, 王金太 申請人:重慶材料研究院有限公司