通過原子氮對鋼進(jìn)行雙重合金化與納米相改性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及鋼鐵冶金，即，設(shè)及用原子氮對鋼進(jìn)行合金化和改性，原子氮與分子氮 不同，具有獨(dú)有的物理化學(xué)特性-巨大的化學(xué)勢和最高的能量勢，在此影響下改變鋼的合金 化與改性的性質(zhì)，根本上改變鋼的物理性質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明設(shè)及鋼鐵冶金，即設(shè)及二次鋼處理，鋼在任意的冶煉設(shè)備中烙煉并轉(zhuǎn)移至 誘鑄桶，在那里進(jìn)行設(shè)及鋼的脫氧、合金化、改性和精煉的進(jìn)一步的工藝操作。當(dāng)前，在合金 化過程中，幾乎整塊鋼通過利用分子氮的液相吹掃來用分子氮處理，或者通過將滲氮的鐵 合金(滲氮的儘鐵合金、娃鐵合金、娃儘鐵合金、鐵銘合金等)結(jié)合氮化物形成元素 A1、Ni、V、 Ti注入烙體。通過分子氮的更高能量勢得到了利用氮合金化鋼的有益結(jié)果(氮具有鐵的主 要合金元素-碳的10倍高的能量勢），由此實(shí)現(xiàn)了鋼的耐久性、柔性和沖擊初性的增加。 611化6111〇]16.，5口6。1日1816613(譯自德語），￥.1-2-]\1，]\161日1111巧7 1966，口.1242。
[0003] 盡管用含氮鐵合金W及用分子氮吹掃液相鋼對鋼進(jìn)行合金化的技術(shù)具有顯著的 缺陷，在由學(xué)院科學(xué)完成的關(guān)于原子氮的能量勢水平的最新研究的【背景技術(shù)】上最清楚地掲 示了它們自身。已知，在相同的溫度和壓力下，原子氮在鋼烙體中的飽和度高于分子氮在鋼 中的飽和度的一萬倍。Averin V.V.，Revyakin A.V.，化trogen in me1:als，M.Metallurgy， 1976,p.224〇
[0004] 但是，為了接受通過氮?dú)獾腘2分子的解離的原子氮或含氮鐵合金的氮，需要高的 能量消耗，因?yàn)槠浣怆x能為99化J/mol，且?guī)缀醯扔诙栊詺獾慕怆x能，運(yùn)就是為何即使在 3300°C的溫度下分子氮的解離水平也不超過0.1 % sLyakishev N.P.等，Encyclopaedic dictionary on metallurgy，V.1，M.，"Intenmet Engineering",2000,p.412。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 同時(shí)，考慮到含氮鐵合金中的氮含量為2-8%，氮化物相(其僅由氮的原子W合金 化元素原子的合成的化學(xué)反應(yīng)來形成）的量為不顯著的值。含氮鐵合金的生產(chǎn)費(fèi)用非常巨 大，因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)工藝的基礎(chǔ)為相對惰性的擴(kuò)散過程，需要大量高溫和高壓形式的能源 消耗。運(yùn)就是使用含氮鐵合金的效能不超過其生產(chǎn)費(fèi)用的原因。目前，用氮?dú)獯祾吆辖鸬墓?藝的大規(guī)模應(yīng)用的適用性引起了甚至更多的問題。因?yàn)樵谠摴に嚻陂g原子氮W非顯著的量 解離，并且不與氮化物相結(jié)合的氮W分子狀態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)入到鋼的固溶體中，運(yùn)最終導(dǎo)致金屬 的劣化。因此，使用氮?dú)獯祾咪摰墓に嚨膽?yīng)用可能是唯一可選擇性的選擇。
[0006] 本申請方法的基礎(chǔ)的目標(biāo)在于開發(fā)一項(xiàng)工藝，其確保了如下的技術(shù)突破:鋼的物 理質(zhì)量的顯著增加，特別是提高鋼的耐久性1.5-2.0倍W及沖擊初性2-3倍，鋼制品的消費(fèi) 品質(zhì)的增加，金屬結(jié)構(gòu)的重量減少20-25 %，結(jié)構(gòu)和機(jī)械減少15-20 %，提高它們的抗冷性 至-65°C。確保了可大規(guī)模地生產(chǎn)在焊接期間具有良好可焊性而HAZ未軟化的高耐久的納米 結(jié)構(gòu)的鋼，包括薄鋼板和電樞。在鋼的生成中，減少合金化元素的大量消耗，包括減少60 % 的含儘物質(zhì)中的儘消耗量和50%的含儀鋼中的儀消耗量。對于鋼的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)非常顯著的 質(zhì)量提高W及費(fèi)用降低只能夠通過鋼生產(chǎn)的現(xiàn)有工藝流程的重大變化來實(shí)現(xiàn)，包括，首先， 鋼的合金化工藝的變化(運(yùn)是最耗成本的），還有最主要和起決定性作用的是鋼的質(zhì)量和物 理性質(zhì)的形成過程。因此，在本發(fā)明申請中，申請人解決了改變鋼的合金化與改性工藝的目 標(biāo)，其不是通過使用昂貴材料來完善合金化的傳統(tǒng)形式（包括應(yīng)用甚至更昂貴的稀±元 素），而是通過改變鋼的合金化與改性的物理-化學(xué)工藝，運(yùn)改變了合金化與改性的真正性 質(zhì)。由于運(yùn)個(gè)原因，在鋼的合金化與改性的新工藝的應(yīng)用中，提供了原子氮作為主要的合金 化元素，因?yàn)槠渚哂歇?dú)特的物理-化學(xué)性質(zhì)(最高的能量勢和巨大的化學(xué)勢），運(yùn)與已知且廣 泛使用的利用含氮的鐵合金W及利用氮?dú)獯祾咪摾芋w來合金化鋼的工藝不同（其中，運(yùn)兩 種情況下氮都處于分子狀態(tài)KGudremon E.，Special steels(譯自德語），V.l-2-M， Metallu;rgy 1966，p. 1242。
[0007] 原子氮的優(yōu)點(diǎn)及其能量勢的最高水平在俄羅斯科學(xué)院的工作中被確認(rèn)，其在1960 年被發(fā)現(xiàn)，即在相同的壓力和溫度下，原子氮在鋼烙體中的飽和度超過分子氮的該指標(biāo)的 一萬倍。Averin V.V.'RevyakinA.V.'Nitrogen in metals,M.Metallurgy, 1976，p.224。然 而，在真正實(shí)現(xiàn)時(shí)，甚至在鋼烙體的約1650°C的溫度下利用原子氮的鋼的合金化的實(shí)驗(yàn)性 工藝被證明是不可能的。原因在于，在含氮物質(zhì)與鋼烙體接觸期間，該物質(zhì)的解離過程伴隨 著劇烈的過程，如同爆炸，釋放原子氮和氣態(tài)成分，運(yùn)導(dǎo)致鋼烙體溢出誘鑄桶。工程上解決 運(yùn)一問題的方案在于如下事實(shí):第一，使用最合適的含氮物質(zhì)尿素(NH2)2C0,其具有46.6% 的高含氮量和174°C的解離溫度，其在解離過程中發(fā)出大量原子氮-2.4m^kg及其的其它化 合物。第二，由于建立和實(shí)施微分方案(differentiated scheme)時(shí)根據(jù)尿素投入鋼烙體的 量和速率，其將解離的爆炸性過程轉(zhuǎn)換成高強(qiáng)度的氮化物納米相的自蔓延合成。微分方案 的基準(zhǔn)值為:限定尿素投入量的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)為0.4-1.4kg/噸鋼，且進(jìn)入速度為5.0-8.0kg/噸， 其取決于合金溫度。運(yùn)允許有不同方法將尿素投入鋼烙體。鋼烙體中形成的原子氮將鋼合 金化過程轉(zhuǎn)變?yōu)殡p重過程，運(yùn)兩類過程并行地發(fā)生。合金化的一種類型為:位錯(cuò)過程，其是 原子氮的物理性質(zhì)(其高能量勢）的結(jié)果，在其作用下原子氮被注入到鐵晶體的原子間空間 中，引起鐵原子的相互排列的變化，運(yùn)導(dǎo)致立方形的鐵晶體的位錯(cuò)(旋轉(zhuǎn)位移)并伴隨其尺 寸的變化。在晶體表面上原子相互排列的經(jīng)改性的平面的數(shù)量和密度W及它們的線密度 (其被稱為位錯(cuò)，用Burger矢量描述表征)根本上改變了鋼的物理性質(zhì)。Lyakishev N.P.等， Encyclopaedic dictionary on metallurgy，V. 1，M.，（'Intenmet Engineering，，，2000， P.412。
[0008] 第二類新的鋼合金化過程是原子氮的化學(xué)性質(zhì)(其巨大的化學(xué)勢）的結(jié)果，在鋼烙 體1650°C的溫度下，作為強(qiáng)勁的催化劑，引起合金化元素的氮化物納米相的自蔓延合成的 強(qiáng)烈