一種鐵鈮矽合金的製作方法
2023-10-10 15:40:59
專利名稱：一種鐵鈮矽合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵合金中鐵鈮矽合金。
背景技術：
鈮鐵、矽鐵均是鋼鐵工業中重要的鐵合金。鈮在鋼中是通過在軋制過程中生成的NbC而具有阻止晶粒長大、抑制形變奧氏體再結晶及產生顯著的沉澱強化效果等作用，特別是在奧氏體的非再結晶區內軋制可以有效的細化晶粒。因此，鈮是鋼鐵生產中重要的甚至是不可替代的合金添加元素。矽是電工鋼(矽鋼)的最重要的合金化元素。矽在鋼中具有縮小奧氏體相區的作用，根據Fe-Si相圖，矽含量大於3.8at.％而小於10at.％的鐵矽合金將不發生α-Fe到γ-Fe的多型性轉變，而保持單一的α相，具有優異的軟磁性能。但是，較高的矽含量會使得材料脆性增大，甚至導致矽脆的發生。
由於Fe、Si、Nb之間都可形成很脆的金屬間化合物，如Fe2Nb、Nb5Si3、FeSi等，因此，在探索具有優良性能的材料的過程中，FeNbSi合金並沒有被認為是一個好的選擇，只被用作熔煉用中間合金。
目前，市場上供貨的煉鋼用鈮鐵的主要種類為含鈮量63wt.％(約50at.％)標準鈮鐵，熔點約1560℃。在鋼鐵生產中，一般於鋼水鋼包精煉時添加而進行合金化的。鈮鐵投入鋼水後，需要一定的時間去熔化，鈮鐵的粒度越大，熔化所需要的時間越長。因此，為了保證鈮鐵充分熔化，一般要求在澆鑄之前，鋼液的停留時間足夠長，鈮鐵的粒度則小於40mm。
在鈮鐵合金構件的澆鑄生產過程中，鋼液的過熱度要受到一些限制。為了便於成分調整，以及保證所添加的鈮鐵能夠充分熔化，則要考慮選用低熔點的鈮鐵合金。根據FeNb二元合金平衡相圖，鈮含量15％的合金處於相圖的共晶點上(L→ε+α-Fe)，相組成為拉氏相ε-Fe2Nb以及體心立方的α-Fe。根據相圖，該成分的鈮鐵熔點最低，為1358℃。據此，人們開發了商用低熔點鈮鐵合金，其成分(重量百分比，wt.％)Nb 15.0，Si 7.5，Mn 0.72，Al 0.15，C 0.24，P 0.02，S 0.01，Fe餘量。其中添加的7.5％的矽主要固溶於α-Fe中而致使該鐵合金很脆；一般而言，鋼中出現拉氏相都被視為有害相，其特點是硬而脆。這些特點決定了這種鐵合金較易於粉碎至小的粒度。但是，合金的脆性致使這種低鈮含量的鈮鐵合金除了用作構件的合金元素的添加劑之外，難以有其它用途。
發明內容本發明的目的在於提供一種鐵鈮矽合金，該鐵鈮矽合金具有強韌性和良好的軟磁性能，不僅可以作為澆鑄合金構件的中間合金，也可以直接澆鑄成耐磨的刀具材料。
本發明是這樣實現的一種鐵鈮矽合金，其特徵是按如下成分以重量百分比配比的合金熔煉、充分攪拌後，澆鑄成構件，其合金成分(wt.％)Nb 7.0-15.0，Si 1.0-8.0，Mn＜0.15，P＜0.05，S＜0.05，Fe餘量。
上述的一種鐵鈮矽合金，所述合金成分(wt.％)Nb 10.0-15.0，Si3.0-5.0，Mn＜0.15，P＜0.05，S＜0.05，Fe餘量。
本發明是基於含鈮量在15wt.％附近的低熔點的FeNb合金，通過添加一定量的矽對材料的相組成進行改性。特定含量的矽將達到對ε相改性，和提高基體的強韌性，避免升溫過程的多型性相變，同時使材料具有良好的軟磁性能。在正常的凝固過程中，由於Fe、Si、Nb三種元素的原子量與半徑差異很大而易於偏析，因此可以採取澆鑄於水冷銅模的方法以保證高的冷卻速度，一定程度的減輕偏析對材料宏觀成分均勻性的影響。這種材料不僅可以用作煉鋼用的合金元素的添加劑，同時具有較好的力學性能，可以用作刀具材料，也是一種具有潛在應用價值的軟磁材料。
(四)
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖l為本發明鐵鈮矽合金的典型組織特徵圖；圖2為鈮含量與硬度的關係圖；圖3為矽含量與硬度的關係圖；圖4為實施例1組織特徵圖；圖5為實施例2組織特徵圖；圖6為實施例3組織特徵圖；圖7為實施例4組織特徵圖；圖8為實施例5組織特徵圖。
具體實施方式
以在水冷銅模中澆鑄的合金成分1為例，見表1，硬度平均值為HRC40，為具有優良的綜合機械性能的調質鋼的硬度。材料的相組成為α-Fe和ε-Fe2Nb相，合金的典型的組織特徵為直徑小於10μm的白色的ε相顆粒均勻分布在(α-Fe+ε-Fe2Nb)共晶體上，參見圖1，這種組織特徵決定了這種合金材料具有良好的耐磨性能；同時，由於α-Fe基體固溶了較高含量的Si，因而又具有優良的軟磁性能。在10000℃之前，合金無相變發生，避免了因相變而導致的體積收縮、熱效應等不適於在某些場合應用的情況。該合金組成相的成分特點見表2，可以看出，在ε相的晶格點陣上，Si代位Nb，佔據了1/3的Nb的位置，即ε相的組成為Fe6(Nb2Si1)，Si的加入達到了對該組成相進行改性的目的。
當合金中Nb和Si的含量大於技術方案中給定的範圍時，如表1中的成份2。合金硬度為HRC55，合金中鈮、矽含量的增加而導致硬度的提高是非常明顯的，合金的脆性也很高，材料性能變壞。
表1 熔煉的合金成分(wt.％)
表2 合金相的成分(at.％)
參見圖2，當Nb的含量較低時，合金呈亞共晶組織，其硬度隨鈮含量的降低而減小，但合金的韌性和塑性較好。然而，由於沒有硬的ε相顆粒，合金的耐磨性較差。
參見圖3，當矽的含量較低時，合金組織特徵變化不大，但是，硬度也隨矽含量的降低而呈降低的趨勢。由於Si含量是合金磁性能的重要的特徵之一，因此材料的軟磁性能也會隨著矽含量的變化而有所變化。
實施例以下實施例均採用水冷銅模澆鑄的方法實現。可使用純的Nb、Si、Fe配料熔煉；為降低成本，也可使用的原料為鈮含量為63wt.％的鈮鐵和矽含量為75wt.％矽鐵，與99.9wt.％的純鐵配料熔煉，再使用X螢光分析或進行直讀光譜分析，確定熔煉後合金的準確成分，如表3實施例使用的都是後一種原料，表4為實施例的合金相的成分(at.％)。
表3 實施例-合金成分(wt.％)
表4 實施例-合金相的成分(at.％)
實施例1組織為ε顆粒均勻分布在α-Fe+ε-Fe2Nb共晶體上，參見圖4。ε相中，Si佔據了1/3的Nb的位置。
實施例2組織為ε顆粒均勻分布在α-Fe+ε-Fe2Nb共晶體上，參見圖5。ε相中，Si佔據了約1/3的Nb的位置。
實施例3組織為ε顆粒均勻分布在α-Fe+ε-Fe2Nb共晶體上，參見圖6。ε相中，Si佔據了1/3的Nb的位置。
實施例4組織為α-Fe和α-Fe+ε-Fe2Nb共晶體，參見圖7。
實施例5組織為ε顆粒均勻分布在α-Fe+ε-Fe2Nb共晶體上，參見圖8。
權利要求
1.一種鐵鈮矽合金，其特徵是按如下成分以重量百分比配比的合金熔煉、充分攪拌後，澆鑄成構件，其合金成分(wt.％)Nb 7.0-15.0，Si 1.0-8.0，Mn＜0.15，P＜0.05，S＜0.05，Fe餘量。
2.根據權利要求1所述的一種鐵鈮矽合金，其特徵是其合金成分(wt.％)Nb 10.0-15.0，Si 3.0-5.0，Mn＜0.15，P＜0.05，S＜0.05，Fe餘量。
全文摘要
本發明涉及鐵合金中鐵鈮矽合金。一種鐵鈮矽合金，其特徵是按如下成分以重量百分比配比的合金熔煉、充分攪拌後，澆鑄成構件，其合金成分(wt.％)Nb 7.0－15.0，Si1.0－8.0，Mn＜0.15，P＜0.05，S＜0.05，Fe餘量。本發明具有強韌性和良好的軟磁性能，不僅可以用作煉鋼用的添加合金元素的中間合金，同時具有較好的力學性能，可以用作刀具材料，也是一種具有潛在應用價值的軟磁材料。
文檔編號C22C38/12GK1958825SQ20051003091
公開日2007年5月9日 申請日期2005年10月31日 優先權日2005年10月31日
發明者田青超, 陳家光 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司