纳米粉体现规模化生产的世界领先者

本公司采用先进的等离子气相合成法,实现了纳米粉体的工业化生产规模化生产公司共有48条生产线,单线日生产量可达50公斤

纳米变质技术在离心铸造高锰钢衬套上的应用

姚永茂1 张芬红1 李明喜2孙平3黄勇1徐伟1

(1合肥开尔纳米科技有限公司2安徽工业大学材料科学与工程学院3青岛蓝鼎华昆耐磨钢有限公司)


摘要:采用纳米TiN和SiC两种粉体,用特殊溶液纳米进分散处理,喷涂在离心铸造金属型表面,浇注高锰钢水与纳米充分混合,作为外加异质晶核细化晶粒,以提高高锰钢的综合机械性能。结果表明:纳米粉体的加入使晶粒明显细化;加入0.06%TiN时冲击吸收功提高达16%;屈服强度提高54.7%,抗拉强度提高22.5%,断后伸长率提高82.8%,断面收缩率提高51.4%;试样磨损率降低36.4%

关键词:纳米TiN、高锰钢衬套、力学性能、磨损率

1、纳米变质技术在金属中的就用基本情况

纳米粒径一般在1-100nm的粒子,同种物质当其尺寸小到纳米级时,其表现的性质会有很大改变,将纳米粒子这种特殊性质应用到钢中,在钢水凝固过程中作为异质形核核心,可以促进钢水的结晶,同时由于纳米粒子的钉扎作用,会阻碍金属晶粒的长大,达到细化晶粒,提高钢的强度、韧性、硬度和使用寿命。

国外纳米应用在钢铁产品方面已有很多成果,如日本日本川崎制铁已经利用纳米粒子的这种特点,研发出新型HLSA纳米钢, 由于其铁基体上弥散分布着纳米级碳化物产生了强化的效果,使得这种钢不但具有高达780MPa的强度,同时具有很高的凸宽缘成型能力.也有研究表明向普通碳钢中加入1.7%的纳米颗粒,可以将其屈服强度从200-300MPa 增加到 1800MPa纳米超级钢(1)

国内在这方面还处在研发阶段,很多高校在试验室内进行纳米在金属材料中的应用研究并取得一些成果。但达到工业实际应用还有一段距离,因为对纳米加入方法、加入条件、不同金属加入纳米种类和加入数量、最佳纳米粒径、如何解决纳米分散、避免二次团聚、纳米应用的经济效益和性价比等因素还需要进行研究。

合肥开尔纳米能源科技有限公司是国内最大的纳米材料生产厂,从2010年就开展纳米材料在金属中的应用试验,历时5年我们取得一些成果,也经历大量的失败,我们已经看到光明、看到希望,逐步达到工业实际应用阶段。纳米变质技术在金属材料中的应用是关系到我国由钢铁大国变为钢铁强国的大事,是需要所有金属材料研究者共同努力才能完成。

2、试验的基本情况

青岛蓝鼎华昆耐磨钢有限公司采用卧式离心机铸造各种高锰钢同心衬套和偏心衬套,其中几种偏心衬套因壁厚相差1倍以上,在厚壁部份存在缩松、热裂等铸造缺陷,铸件废品率高达90%,基本上铸件浇注后都存在明显裂纹,如图1、图2 。通过与合肥开尔纳米能源科技公司和安工大合作,对原冶炼、浇注工艺进行调整和完善,使废品率大幅度下降,为进一步提高产质量,提高衬套的耐磨损性能,在工艺稳定的情况下开展在高锰钢中加入纳米试验。前两次试验的目的是了解高锰钢中加入纳米是否有效果?采用纳米喷涂方法是否可行?在前两试验成功的基础上进行第三次试验,第三次试验的目的是:通过试验确定加入纳米种类和纳米最佳加入量,以达到既提高综合机械性能又能最大限度的降低成本。通过四个月工业试验基本上达到预期目标,为青岛蓝鼎华昆耐磨钢有限公司稳定国外客户、增加出口奠定了坚实的技术和工艺基础



3、试验材质和方法

  本次试验采用纳米TiN和SiC两种材料,经特殊溶液将纳米分散后做成含量5%浓度的溶液,喷涂在离心铸造的的铁模上,利用模具自身余热烘干后浇注。冶炼采用工厂正常生产的0.5吨中频电炉,采用大包一次出钢,在包底加入钢水重量0.4%的净化剂,先净化钢水再经纳米变质处理。铸件经1050奥氏体化后水韧处理,在铸件本体上经线切割成Ф20×150园型试棒,再加工成标准抗拉试棒,冲击试样切割成10×10×55 U型缺口的标准试样,铸件和切割试样如图3、图4 

图3铸造图

 

                图4试样加工图                


3.1 化学成份和浇注温度 

3.2纳米加入量

 

4、性能检测 

金相试样采用苦味酸酒精溶液腐蚀后,在德国蔡司Axiophot2数码金相显微镜进行金相分析。利用HB3000型布氏硬度计、EHF-EM200KN-70LH型电动液压伺服材料实验机、NI300C动态冲击试验机、HT4001型POD销盘摩擦磨损实验仪分别进行硬度试验、拉伸试验、冲击试验和磨损试验。

4.1、 金相检测

图5为6种试样金相组织(200倍)。可见未加纳米粉体的试样晶粒粗大,纳米粉体加入晶粒明显细化,其中3号试样(0.06%TiN)晶粒细化效果最好




0


0.04%TiN


0.06%TiN


0.03%SiC


0.05%SiC


0.07% (TiN和SiC各一半)

5试样金相组织(200×)


4.2、硬度和冲击吸收功

硬度和冲击试验结果见表3和图6。加入纳米后硬度变化不大,而冲击吸收功提高8-16%,以3号和4号试样提高最多,达到16%以上韧性得到很大提高,是由于晶粒细化所致。铸件本体取样冲击吸收功都超过国标要求。

       

3硬度和冲击试验结果


6 硬度和冲击试验结果


4.3、抗拉试验检测

表4和图7为拉伸试验结果,每组试验各取3个试样。可以看出加入纳米粉体的试样的屈服强度抗拉强度断后伸长率断面收缩率比原样均有一定程度提高,其中3号试样的上述指标分别提高54.7%22.5%82.8%51.4%。说明添加的纳米材料起到细化晶粒的作用,从而使得试样的的强度、硬度与塑韧性指标均有提高。

表4抗拉试验检测记录



(a)屈服强度曲线


(b)抗拉强度曲线


(c)断后伸长率曲线


(d)断面收缩率曲线

7  拉伸试验结果


4.4、磨损试验检测

表5和图8为试样的销盘磨损实验结果3号试样的磨损率最低,比1号原样低36.4%,其它几种都比原样高.


表5 销盘磨损试验结果

 

8销盘磨损试验结果


5、分析讨论

    纳米材料由于其本身易于团聚,采用特制溶液将其分散,使其能均匀分布于液态钢水。加入的纳米颗粒在凝固过程中能否起到变质剂作用,取决于其与液相之间出现的匹配关系。氮化钛(TiN)属面心立方点阵,晶格常数a=0.4241nmTiN纳米粒子与奥氏体具有较好的界面匹配关系,即:[1ˉ11]γ//[1ˉ11]TiN、(202)γ//(202)TiN[1ˉ11]γ//[1ˉ11]TiN、(220)γ//(220)TiN[1ˉ11]γ//[1ˉ11]TiN、(422)γ//(422)TiN以及[1ˉ12]γ//[0 1ˉ1]TiN、(220)γ//(022)TiN[1ˉ12]γ//[0 1ˉ1]TiN、(1 1ˉ1)γ(200)TiN的晶体学位向关系[2],而且其共格错配度小于6%[3],为有效形核剂。加入的纳米TiN在液相中作为现成表面,起到异质形核基底作用。因此,纳米颗粒加入,促进液相异质形核,凝固组织细化,晶粒得到细化

由于纳米材料的异质形核作用,细化了晶粒,增加了晶界面积,提高了对位错运动和晶面滑移所需要的能量。另一方面由于纳米颗粒存在于奥氏体中,引起了晶格畸变,钉扎位错,从而起到了强化基体,提高性能的作用。

试验期间因高锰钢钢水质量得到稳定提高,S、P含量都低于0.015%,同时又加入开尔公司生产的钢水净化剂提高钢水纯净度,采用在金属型离心铸造模具表面喷涂纳米溶液,因此纳米才能在钢水凝固时形成晶核,纳米效果才显示出来。

纳米加入量在试验过程中经多组份对比证明加入量过低,其细化组织、改善性能的作用有限;加入量过多,易于团聚为夹杂,失去其应有的作用,对不同钢种、不同的铸造工艺、不同的钢水净化成度纳米加入量是要进行试验和调整。

6、 结论

    纳米粉体的加入使铸态组织的奥氏体晶粒明显细化加入0.06%TiN和0.03%SiC时冲击吸收功提高提高达16%;加入0.06%TiN的试样拉伸试验,屈服强度提高54.7%,抗拉强度提高22.5%,断后伸长率提高82.8%断面收缩率提高51.4%; 磨损率降36。4%低。据各项检测指标分析加入0.06%纳米TiN性能最好。

 

参考资料

(1)李京社, 张华, 王林珠等. 国内纳米粒子在钢中应用研究进展[J]. 河南冶金, 2013, 21(4): 1-3.

(2) 王文焱, 元亚莎, 喻惠武等. TiN纳米颗粒在ZGMn13中存在形式及对基体微观形貌的影响[J]. 钢铁,2014, 49(11): 64-67.

(3)喻惠武,王文焱,谢敬佩等. 纳米TiN粉末强化ZGMn13微观组织和力学性能的研究[J].铸造技术,2012, 33(5): 525-527.

作者简介:姚永茂(1940),男,汉族,安徽宁国人,高级工程师.现任开尔纳米公司技术顾问。E-mail yaoym40@163.com


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