一种Nb-Cr-Fe三元中间合金及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种Nb‑Cr‑Fe三元中间合金及其制备方法和应用，属于金属材料技术领域，用以解决现有的NbFe熔点超过中高碳钢和铸铁钢液熔点导致NbFe在中高碳钢和铸铁中不能充分熔化和扩散的问题。Nb‑Cr‑Fe三元中间合金的各元素的质量百分数包括：Nb：5％‑25％，Cr：20％‑45％，余量为Fe。Nb‑Cr‑Fe三元中间合金的熔点范围为1350℃‑1440℃。本发明的Nb‑Cr‑Fe三元中间合金熔点低，将其作为原料用于制备中高碳钢或铸铁时，Nb‑Cr‑Fe三元中间合金能充分熔化和扩散，能显著提高Nb和Cr元素的收得率。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种Nb-Cr-Fe三元中间合金及其制备方法和应用。

背景技术

Nb是高熔点金属，是重要的高温难熔金属元素，是高温合金和耐热钢中的重要合金元素，熔点2468±10℃，微量固溶的Nb可以显著提高钢的淬透性，固溶Nb强化晶界作用大于Mo、W、V，能够提高高温持久性能。微量Nb的加入能有效抑制奥氏体晶粒长大，显著阻止形变奥氏体的再结晶，提高共析点碳含量，降低脱碳倾向，提高钢的高温强度、弹性模量、耐蚀性等等作用。

NbFe主要用于高温合金，不锈钢和高强度低合金钢。永磁合金中加入Nb，可提高合金的矫顽力性能。铸铁中加入Nb，有助于球化和珠光体组织的形成，起到孕育和细化铸件组织的作用。Nb可提高铸件在高温下的强度、韧性、硬度和使用寿命。电焊条用NbFe作为焊料组分，来提高焊接质量。

但因为NbFe50熔点在1540-1620℃、NbFe60熔点在1560-1620℃、NbFe70熔点在1410-1600℃，而低碳微合金钢熔点在1620℃以上、中高碳钢熔点在1500℃左右、铸铁熔点在1400℃以下，导致NbFe只能在低碳微合金钢中使用，在中高碳钢和铸铁中不能充分熔化和扩散，所以NbFe在钢中的使用量和作用没有充分体现。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种Nb-Cr-Fe三元中间合金及其制备方法和应用，用于解决以下技术问题：现有的NbFe熔点超过中高碳钢和铸铁钢液熔点导致NbFe在中高碳钢和铸铁中不能充分熔化和扩散的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金，Nb-Cr-Fe三元中间合金的各元素的质量百分数包括：Nb：5％-25％，Cr：20％-45％，余量为Fe。

进一步的，Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点范围为1350℃-1440℃。

进一步的，Nb-Cr-Fe三元中间合金的各元素的质量百分数包括：Nb：10％-20％，Cr：25％-40％，余量为Fe。

进一步的，Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点范围为1370℃-1420℃。

本发明还提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金的制备方法，用于制备上述Nb-Cr-Fe三元中间合金，包括以下步骤：

步骤S1、将纯铁、铬铁、铌铁、坩埚碳装入真空感应炉内；

步骤S2、对真空感应炉熔炼室进行抽真空，然后送电加热炉料；

步骤S3、炉料化清出现熔池后，真空度逐步提高；

步骤S4、调低功率，进入精炼脱O、N和H；

步骤S5、控制钢液温度1430-1470℃，为避免注温下降和氧化膜混入注流中，带电浇入锭模，自然降温；

步骤S6、放气，破空，打开炉盖取出锭模；

步骤S7、根据成品定型，将锭模中的合金块破碎。

进一步的，步骤S2中，真空度小于15Pa时开始送电加热炉料。

进一步的，步骤S2中，加热炉料时，初始功率8-10kW，以每10min增加5-6kW的速率，逐步增大功率到25-30kW。

进一步的，步骤S3中，控制功率为25-30kW。

进一步的，步骤S3中，控制精炼8-15min，真空度≤5Pa。

进一步的，步骤S5中，自然降温5-10min。

本发明还提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金的应用，将上述三元中间合金作为原料用于制备中高碳钢或铸铁。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明中的Nb-Cr-Fe三元中间合金通过精确控制Nb、Cr和Fe的含量保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的低熔点，保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点为1350℃-1440℃。

b)本发明的制备方法通过首先采用真空感应炉冶炼，降低了Nb-Cr-Fe三元合金中的氧含量，成分均匀，熔点较低，且通过精确控制工艺参数，防止喷溅，保证了生产安全。

c)将本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金作为原料用于制备中高碳钢或铸铁时由于上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点较低，因此，将其作为原料用于制备中高碳钢或铸铁时，Nb-Cr-Fe三元中间合金能充分熔化和扩散，能显著提高Nb和Cr元素的收得率。例如，Cr元素的收得率提升6％以上，Nb元素的收得率提升11％以上。本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金应用范围广泛。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以来实现和获得。

具体实施方式

下面具体描述本发明的优选实施例，实施例仅用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

Nb是高熔点金属，是重要的高温难熔金属元素，是高温合金和耐热钢中的重要合金元素，微量固溶的Nb可以显著提高钢的淬透性，固溶Nb强化晶界作用大于Mo、W、V，能够提高高温持久性能。微量Nb的加入能有效抑制奥氏体晶粒长大，显著阻止形变奥氏体的再结晶，提高共析点碳含量，降低脱碳倾向，提高钢的高温强度、弹性模量、耐蚀性等等作用。永磁合金中加入Nb，可提高合金的矫顽力性能。铸铁中加入Nb，有助于球化和珠光体组织的形成，起到孕育和细化铸件组织的作用。Nb可提高铸件在高温下的强度、韧性、硬度和使用寿命。电焊条用NbFe作为焊料组分，来提高焊接质量。

现有工艺中，多通过采用NbFe来提供Nb，但因为NbFe50熔点在1540-1620℃、NbFe60熔点在1560-1620℃、NbFe70熔点在1410-1600℃，而低碳微合金钢熔点在1620℃以上、中高碳钢熔点在1500℃左右、铸铁熔点在1400℃以下，导致NbFe只能在低碳微合金钢中使用，在中高碳钢和铸铁中不能充分熔化和扩散，所以NbFe在钢中的使用量和作用没有充分体现。

鉴于此，本发明提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金，Nb-Cr-Fe三元中间合金的各元素的质量百分数包括：Nb：5％-25％，Cr：20％-45％，余量为Fe。

具体的，上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点范围为1350℃-1440℃。

具体的，上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的各元素的质量百分数包括：Nb：10％-20％，Cr：25％-40％，余量为Fe。

具体的，上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点范围为1370℃-1420℃。

需要说明的是，本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金通过精确控制Nb、Cr和Fe的含量保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的低熔点，保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点为1350℃-1440℃。

具体的，上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的制备方法包括以下步骤：

步骤S1、将纯铁、铬铁、铌铁、坩埚碳装入真空感应炉内；

步骤S2、对真空感应炉熔炼室进行抽真空，然后送电加热炉料；

步骤S3、炉料化清出现熔池后，真空度逐步提高；

步骤S4、调低功率，进入精炼脱O、N、H等；

步骤S5、控制钢液温度1430-1470℃，为避免注温下降和氧化膜混入注流中，带电浇入锭模，自然降温；

步骤S6、放气，破空，打开炉盖取出锭模；

步骤S7、根据成品定型，将锭模中的合金块破碎。

具体的，上述步骤S2中，真空度小于15Pa时开始送电加热炉料。

具体的，上述步骤S2中，加热炉料时，初始功率8-10kW，以每10min增加5-6kW的速率，逐步增大功率到25-30kW。

具体的，上述步骤S3中，为了避免喷溅，控制功率为25-30kW。

具体的，上述步骤S4中，为了保证降低气体含量，控制精炼8-15min，真空度≤5Pa。

具体的，上述步骤S5中，自然降温5-10min。

具体的，上述制备方法制得的Nb-Cr-Fe三元中间合金的气体含量低例如O：20ppm以下，N：70ppm以下，成分均匀，熔点为1350℃-1440℃，熔点较低。

本发明还提供了上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的应用。可以将其作为原料用于制备中高碳钢或铸铁。由于上述Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点较低，因此，将其作为原料用于制备中高碳钢或铸铁时，Nb-Cr-Fe三元中间合金能充分熔化和扩散，能显著提高Nb和Cr元素的收得率。例如，Cr元素的收得率提升6％以上，Nb元素的收得率提升11％以上。

下面将以具体的实施例与对比例来展示本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金的优势。

实施例1

本实施例提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金，本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的成分按质量百分比为：Nb：10％，Cr：25％，余量为Fe。

设备采用10kg真空感应熔炼炉，极限真空度为6.67×10

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的制备方法的具体步骤如下：

(1)将纯铁、铬铁、铌铁、坩埚碳装入炉内；

(2)对真空感应炉熔炼室进行抽空，真空度小于15Pa时开始送电加热炉料，功率9kW，以每10min增加5kW的速率，逐步增大功率到30kW；

(3)炉料化清出现熔池后，控制功率为26kW，避免喷溅，真空度逐步提高；

(4)调低功率，进入精炼，精炼10min，真空度≤5Pa，脱O、N、H等；

(5)控制钢液温度1440-1450℃，为避免注温下降和氧化膜混入注流中，带电浇入锭模，自然降温5min；

(6)放气，破空，打开炉盖取出锭模；

(7)根据成品定型，将锭模中的合金块采用破碎机将合金块破碎成5-50mm。

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的气体含量低，例如，O：20ppm、N：70ppm，成分均匀，质量稳定，成品率高。

经STA-449C型同步热分析仪(DSC)测试，该成分Nb-Cr-Fe三元中间合金熔点为：1380.8℃。

实施例2

本实施例提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金，本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的成分按质量百分比为：Nb：15％，Cr：30％，余量为Fe。

设备采用10kg真空感应熔炼炉，极限真空度为6.67×10

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的制备方法的具体步骤如下：

(1)将纯铁、铬铁、铌铁、坩埚碳装入炉内；

(2)对真空感应炉熔炼室进行抽空，真空度小于15Pa时开始送电加热炉料，功率10kW，以每10min增加5kW的速率，逐步增大功率到30kW；

(3)炉料化清出现熔池后，控制功率为28kW，避免喷溅，真空度逐步提高；

(4)调低功率，进入精炼，精炼10Min，真空度≤5Pa，脱O、N、H等；

(5)控制钢液温度1450-1460℃，为避免注温下降和氧化膜混入注流中，带电浇入锭模，自然降温7min；

(6)放气，破空，打开炉盖取出锭模；

(7)根据成品定型，将锭模中的合金块采用破碎机将合金块破碎成5～50mm。

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的气体含量低，例如，O：18ppm、N：65ppm，成分均匀，质量稳定，成品率高。

经STA-449C型同步热分析仪(DSC)测试，该成分Nb-Cr-Fe三元中间合金熔点为：1383.9℃。

实施例3

本实施例提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金，本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的成分按质量百分比为：Nb：20％，Cr：40％，余量为Fe。

设备采用10kg真空感应熔炼炉，极限真空度为6.67×10

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的制备方法的具体步骤如下：

(1)将纯铁、铬铁、铌铁、坩埚碳装入炉内；

(2)对真空感应炉熔炼室进行抽空，真空度小于15Pa时开始送电加热炉料，功率10kW，以每10min增加5kW的速率，逐步增大功率到30kW；

(3)炉料化清出现熔池后，控制功率为28kW，避免喷溅，真空度逐步提高；。

(4)调低功率，进入精炼，精炼10min，真空度≤5Pa，脱O、N、H等；

(5)控制钢液温度1450-1470℃，为避免注温下降和氧化膜混入注流中，带电浇入锭模，自然降温5min；

(6)放气，破空，打开炉盖取出锭模；

(7)根据成品定型，将锭模中的合金块采用破碎机将合金块破碎成5～50mm。

本实施例中，Nb-Cr-Fe三元中间合金的气体含量低，例如，O：20ppm、N：70ppm，成分均匀，质量稳定，成品率高。

经STA-449C型同步热分析仪(DSC)测试，该成分Nb-Cr-Fe三元中间合金熔点为：1415.4℃。

实施例4

本实施例提供了一种Nb-Cr-Fe三元中间合金的应用，采用上述实施例1的Nb-Cr-Fe三元中间合金和普通金属NbFe、CrFe、Fe制备中高碳钢6Cr15MoNb，两种制备过程按照相同的加料顺序和冶炼工艺控制，尽可能减少其他因素的影响，以此对比Nb、Cr元素收得率，验证Nb-Cr-Fe三元中间合金在生产中的实际作用。

Nb、Cr元素收得率结果如下表1所示。

表1Nb、Cr元素收得率结果

采用实施例2和3的三元中间合金的工艺，Cr元素的收得率提升分别为7.3％、7.5％，Nb元素的收得率提升分别为12.4％、12.5％，可见,采用本发明的三元中间合金制备中高碳钢时Nb、Cr元素收得率明显提升，说明Nb-Cr-Fe三元中间合金对元素收得率提升有显著的作用。

通过上述结果可知，本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金通过精确控制Nb、Cr和Fe的含量保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的低熔点，保证了Nb-Cr-Fe三元中间合金的熔点为1350℃-1440℃。因此，将其作为原料用于制备中高碳钢或铸铁时，Nb-Cr-Fe三元中间合金能充分熔化和扩散，能显著提高Nb和Cr元素的收得率。采用本发明的Nb-Cr-Fe三元中间合金制备铸铁时，Cr元素的收得率提升6％以上，Nb元素的收得率提升11％以上。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。