一种氮化铬钒铁合金的制备方法与流程

1.本发明涉及铁合金技术领域，尤其涉及一种氮化铬钒铁合金的制备方法。


背景技术：

2.氮化钒铁作为高强度微合金钢的一种新型钒氮合金添加剂，性能优于钒铁和氮化钒，氮化钒铁比氮化钒比重大，具有更高的吸收率，具有更高的细化晶粒和提升强度、韧性、延展性等功能。向钢中加入氮化钒铁合金不仅可以提高钢的强度、韧性和延展性，还可以增强钢的耐磨性、耐腐蚀性以及抗热疲劳性，并使钢材具备优异的可焊接性能，因此氮化钒铁合金被广泛用于高强度螺纹钢筋、高强度管线钢、高强度型钢等产品。
3.目前国内外制备氮化钒铁合金的主要方法为将钒铁原料进行破碎、球磨后置于高压合成器内密闭、抽真空后充入高纯氮气并达到规定压力，启动点火装置引燃自蔓延燃烧合成反应，此后的合成反应在自身放热反应的支持下，再诱发邻近物料继续化学反应直到全部物料自持续反应完毕得到氮化钒铁产品。但是现有技术中的氮化钒铁制备方法的原料成本高，生产工艺复杂，反应时间长，能耗大，制备得到的氮化钒铁的含氮量低，氮钒比也较低。


技术实现要素：

4.基于现有技术中存在的以上问题，本发明提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，该制备方法可以降低生产成本，降低能耗，通过本发明的制备方法可以制备得到氮含量高，氮钒比高的氮化铬钒铁合金，克服了现有技术的缺陷。
5.为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
6.本发明实施例提供了一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤一，将钒氧化物粉末、铬泥、铁氧化物粉末和还原剂混合均匀后，加入粘结剂和水，混匀制成球团；
8.步骤二，将所述球团在80～150℃条件下进行干燥；
9.步骤三，将干燥后的所述球团在氨气气氛下先升温至400～650℃进行预还原，预还原时间为1～5小时，再升温至1000～1300℃进行还原，还原反应时间为4～8小时，最后升温至1400～1600℃进行氮化，氮化时间为1～3小时，氮化结束后冷却得所述氮化铬钒铁。
10.本发明提供的氮化铬钒铁合金的制备方法以生产五氧化二钒的副产物铬泥为原料制备氮化铬钒铁合金，该铬泥中既含有钒又含有铬，通过充分利用铬泥中的钒，可以降低钒氧化物的加入量，大大降低氮化铬钒铁合金的生产成本；通过充分利用铬泥中的铬与氮发生反应，有利于增加合金中的氮含量，提高合金中的氮钒比，合金中氮含量的增加不仅可以明显改善钢的韧性和塑性，提高钢的抗热强度和蠕变能力，还可以改变钒的相间分布，提高钢的持久强度，进而改善钢的性能。本发明方法以钒氧化物粉末、铬泥和铁氧化物粉末为原料，通过在氨气的气氛下分段加热进行预还原、还原和氮化反应得到氮化钒铬铁合金粉末，在此过程中氨气不仅可以作为氮源，还可以作为还原剂，保证还原反应的充分进行。通
过将干燥后的球团分段加热进行预还原、还原和氮化反应，可以准确地控制物料的预还原、还原和氮化的温度范围，通过控制分段加热的时间来缩短整个制备周期的耗时，降低能耗。本发明的制备方法流程简单，反应需要的原料种类少，生产过程中产生的气体可循环利用，整个生产过程中没有废渣产生，可以实现氮化铬钒铁绿色生产，降低了生产成本，增加了合金中的氮含量，提高了合金中的氮钒比，改善了钢的性能，克服了现有技术的缺陷。通过本发明的制备方法制备得到的氮化铬钒铁合金中氮含量为25％～30％，钒含量为45％～50％，氮钒比为0.565～0.620。
11.优选地，步骤一中，钒氧化物、铬泥、铁氧化物和还原剂的质量比为1：0.3～0.5:0.1～0.3：0.25～0.4。
12.优选地，步骤一中，钒氧化物为五氧化二钒、偏钒酸铵、二氧化钒、三氧化二钒中的至少一种。
13.优选地，步骤一中，铬泥为生产五氧化二钒的副产物，钒含量为7％～9.5％，铬含量为20％～25％。
14.本发明以生产五氧化二钒的副产物铬泥为原料，该铬泥中既含有钒又含有铬，可以降低钒氧化物的加入量，实现固废的高效利用，大大降低氮化铬钒铁合金的生产成本；通过充分利用铬泥中的铬与氮发生反应，有利于增加合金中的氮含量，提高合金中的氮钒比，改善钢的性能。相比于传统制备氮氮化钒铁合金的方法，本方法的钒源化合物的用量大大降低，合金中的氮含量和氮钒比明显提高。
15.优选地，步骤一中，铁氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁中的至少一种。
16.当将钒氧化物粉末、铬泥、铁氧化物粉末、还原剂、粘结剂和水混合均匀以后，由于三氧化二铁或四氧化三铁具有较大的比表面积，可以与钒氧化物、铬泥形成带有孔隙结构的混合物，在还原氮化过程中，氨气可以进入到具有孔隙结构的固体混合物中，与原料充分接触，有利于进一步提高还原速率，增加合金的含氮量。
17.优选地，步骤一中，粘结剂为聚乙烯醇、淀粉胶中的一种或两种，粘结剂的质量为所有原料总质量的25％～50％，水的质量为所有原料总质量的93～95倍。
18.优选地，步骤二中，干燥的温度为90～110℃，干燥的时间为4～6小时。
19.步骤二中的干燥过程既是一个脱水干燥的过程，又是一个预热的过程，通过这一步预热可以缩短后续升温至低温热处理温度的升温时间。并且通过控制干燥的温度和干燥的时间，可以保证球团中的水分被充分去除。
20.优选地，步骤三中，预还原的温度为450～550℃，预还原时间为3～5小时，还原的温度为1100～1200℃，还原反应的时间为4～6小时。
21.通过将干燥后的球团分段加热进行预还原、还原和氮化反应，可以准确地控制物料的预还原、还原和氮化的温度范围，通过控制分段加热的时间来缩短整个制备周期的耗时，降低能耗。
22.本发明提供的氮化铬钒铁合金的制备方法以钒氧化物粉末、铬泥和铁氧化物粉末为原料制备氮化铬钒铁合金，铬泥的使用可以降低钒氧化物的加入量，大大降低氮化铬钒铁合金的生产成本；通过充分利用铬泥中的铬与氮发生反应，有利于增加合金中的氮含量，提高合金中的氮钒比，改善钢的性能。铁氧化物粉末为三氧化二铁或四氧化三铁粉末中的至少一种时，其较大的比表面积可以使之与钒氧化物、铬泥形成带有孔隙结构的混合物，在
还原氮化过程中，氨气可以进入到具有孔隙结构的固体混合物中，与原料充分接触，有利于进一步提高还原速率，增加合金的含氮量。在进行预还原、还原和氮化反应过程中氨气不仅可以作为氮源增加合金的含氮量，还可以作为还原剂，保证还原反应的充分进行。通过将干燥后的球团分段加热进行预还原、还原和氮化反应，可以准确地控制各步反应的温度范围和加热时间，从而缩短整个制备周期的耗时，降低能耗。本发明的制备方法流程简单，反应需要的原料种类少，生产过程中产生的气体可循环利用，整个生产过程中没有废渣产生，可以实现氮化铬钒铁绿色生产，降低了生产成本，增加了合金中的氮含量，提高了合金中的氮钒比，改善了钢的性能。经检测以本发明的制备方法制备得到的氮化铬钒铁合金中氮含量为25％～30％，钒含量为45％～50％，氮钒比为0.565～0.620。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.实施例1
25.本实施例提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
26.(1)将1kg的五氧化二钒粉末、0.5kg的铬泥(铬泥中钒含量为7％，铬含量为25％)、0.1kg三氧化二铁粉末和0.4kg石墨碳粉混合均匀后，加入0.5kg聚乙烯醇和186.8kg水，混匀制成球团。
27.(2)将球团在80℃条件下干燥6小时。
28.(3)将干燥后的球团在氨气气氛下先升温至400℃进行预还原，预还原时间为5小时，再升温至1000℃进行还原，还原反应时间为8小时，最后升温至1400℃进行氮化，氮化时间为3小时，氮化完成后冷却到常温，破碎得氮化铬钒铁，经检测，制备得到的氮化铬钒铁合金中钒含量为45.2％，氮含量为25.56％，氮化铬钒铁合金中氮钒比为0.565。
29.实施例2
30.本实施例提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
31.(1)将1kg的偏钒酸铵粉末、0.3kg的铬泥(铬泥中钒含量为9.5％，铬含量为20％)、0.3kg四氧化三铁粉末和0.25kg石墨碳粉混合均匀后，加入0.92kg淀粉胶和175.75kg水，混匀制成球团。
32.(2)将球团在150℃条件下干燥4小时。
33.(3)将干燥后的球团在氨气气氛下先升温至650℃进行预还原，预还原时间为1小时，再升温至1300℃进行还原，还原反应时间为4小时，最后升温至1600℃进行氮化，氮化时间为1小时，氮化完成后冷却到常温，破碎得氮化铬钒铁，经检测，制备得到的氮化铬钒铁合金中钒含量为46.8％，氮含量为26.96％，氮化铬钒铁合金中氮钒比为0.576。
34.实施例3
35.本实施例提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
36.(1)将1kg的五氧化二钒和二氧化钒粉末、0.45kg的铬泥(铬泥中钒含量为8％，铬含量为21％)、0.2kg三氧化二铁和四氧化三铁粉末和0.3kg石墨碳粉混合均匀后，加入0.59kg聚乙烯醇和淀粉胶和183.3kg水，混匀制成球团。
37.(2)将球团在90℃条件下干燥5小时。
38.(3)将干燥后的球团在氨气气氛下先升温至450℃进行预还原，预还原时间为3小时，再升温至1100℃进行还原，还原反应时间为5小时，最后升温至1500℃进行氮化，氮化时间为2小时，氮化完成后冷却到常温，破碎得氮化铬钒铁，经检测，制备得到的氮化铬钒铁合金中钒含量为48.3％，氮含量为29.34％，氮化铬钒铁合金中氮钒比为0.607。
39.实施例4
40.本实施例提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
41.(1)将1kg的三氧化二钒和偏钒酸铵粉末、0.45kg的铬泥(铬泥中钒含量为9％，铬含量为24％)、0.25kg三氧化二铁和四氧化三铁粉末和0.35kg石墨碳粉混合均匀后，加入0.82kg聚乙烯醇和淀粉胶和194.75kg水，混匀制成球团。
42.(2)将球团在110℃条件下干燥4.5小时。
43.(3)将干燥后的球团在氨气气氛下先升温至600℃进行预还原，预还原时间为2小时，再升温至1200℃进行还原，还原反应时间为6小时，最后升温至1550℃进行氮化，氮化时间为1.5小时，氮化完成后冷却到常温，破碎得氮化铬钒铁，经检测，制备得到的氮化铬钒铁合金中钒含量为47.9％，氮含量为29.72％，氮化铬钒铁合金中氮钒比为0.620。
44.实施例5
45.本实施例提供一种氮化铬钒铁合金的制备方法，包括如下步骤：
46.(1)将1kg的五氧化二钒、偏钒酸铵粉末、0.4kg的铬泥(铬泥中钒含量为9％，铬含量为23％)、0.27kg三氧化二铁粉末和0.33kg石墨碳粉混合均匀后，加入1kg淀粉胶和188.2kg水，混匀制成球团。
47.(2)将球团在130℃条件下干燥5.5小时。
48.(3)将干燥后的球团在氨气气氛下先升温至550℃进行预还原，预还原时间为5小时，再升温至1100℃进行还原，还原反应时间为4小时，最后升温至1450℃进行氮化，氮化时间为2.5小时，氮化完成后冷却到常温，破碎得氮化铬钒铁，经检测，制备得到的氮化铬钒铁合金中钒含量为49.3％，氮含量为28.95％，氮化铬钒铁合金中氮钒比为0.587。
49.效果例
50.将实施例1-5制备的氮化铬钒铁合金加入钢中制成棒材，将棒材的两端按照gb/t228-2010金属材料拉伸实验方法在室温下进行抗拉强度和规定塑性延伸强度的性能测试，测试结果如下表1所示：
51.表1金属材料拉伸实验测试结果
[0052][0053]
由上表中的数据可知，本发明提供的氮化铬钒铁合金可以明显改善钢的韧性和塑性，提高钢的抗热强度和蠕变能力，还可以提高钢的持久强度。
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以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。