CN111607742A - 一种新型纳米模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种新型纳米模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型纳米模具钢及其制备方法。本发明在直接冶炼过程中，通过在模具钢基体原料粉末中添加纳米铝粉，并优化纳米铝粉的添加量，使得纳米铝粉能够在模具钢基体中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导钢结构形成平均晶粒尺寸不超过100nm的均匀纳米结构，从而达到纳米增强的目的。

Description

一种新型纳米模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米合金技术领域，具体涉及一种新型纳米模具钢及其制备方法。
背景技术
纳米材料由于其独特的物理、化学、力学性能，在电子信息、生物工程、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，目前的纳米材料大多是指纳米粉体材料，块状纳米材料由于受到制备技术、材料配方等因素的限制，很难实现工业化的生产。目前块状纳米合金的制造，或采用纳米粉末高温烧结、大塑性变形等复杂工艺，需要高温、高压等苛刻条件，仅能制得晶粒尺寸较大、界面粗糙、微孔隙过多的块状纳米制品；或采用非晶晶化法，通过采用特殊的材料配方，首先获得非晶态固体，然后通过熔体激冷等方法实现非晶态向晶态转变，制备块状纳米产品。上述块状纳米材料的制备方法一方面依赖于材料的配方，一方面依赖于复杂的制备工艺，制得块状纳米产品仍然质量较差，从而限制了块状纳米合金的工业化应用。
基于上述块状纳米材料的制备工艺现状，有必要开发一种制备工艺简单，纳米晶粒尺寸均匀，微孔隙小的块状纳米合金新型纳米模具钢。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种新型纳米模具钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种新型纳米模具钢，由基体原料和纳米铝粉制成，且所述纳米模具钢的平均晶粒尺寸在100nm以下，其成分按质量百分比计包括：铝：1.5％-2.5％，碳：0.32％-0.45％，锰：0.2％-0.5％，硅：0.8％-1.2％，铬：4.75％-5.5％，钒：0.8％-1.2％，钼：1.10％-1.75％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明通过在模具钢(H13)基体原料粉末中添加纳米铝粉，纳米铝粉在模具钢基体中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导钢铁合金晶粒生长，通过控制纳米铝含量，使得钢铁合金的晶粒不至于生长过大，限制其平均晶粒尺寸在100nm以下，从而整体增强钢铁材料的机械强度及其他方面的性能。
进一步地，所述纳米模具钢中铝的质量百分比为1.9％-2.3％。本发明通过优选纳米铝粉的添加量，使得纳米铝粉能够在模具钢基体中均匀弥散形成纳米晶核，进一步提高纳米模具钢的机械强度和硬度。
为进一步提高纳米模具钢的机械强度和硬度，本发明的纳米模具钢的成分按质量百分比计优选包括：铝：1.9％-2.3％，碳：0.35％-0.4％，锰：0.3％-0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％-5.5％，钒：1.0％-1.2％，钼：1.3％-1.5％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步地，所述纳米模具钢的平均晶粒尺寸为40-80nm，有利于提高纳米模具钢的力学强度和硬度。
进一步地，所述纳米铝粉的平均粒径为10-50nm，能够确保纳米模具钢中可形成平均晶粒尺寸不超过100nm的均匀纳米结构，实现良好的增强效果。
进一步地，所述杂质为硫和磷，且所述纳米模具钢中硫的质量百分比≤0.03％，所述纳米模具钢中磷的质量百分比≤0.03％。
本发明还提供了上述的新型纳米模具钢的制备方法，将纳米铝粉与基体原料按比例配料并混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却，得到平均晶粒尺寸在100nm以下的纳米模具钢。该制备工艺简单，且得到的纳米模具钢晶粒尺寸均匀纳米化、微孔隙小，具有较高机械强度和硬度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在模具钢原料粉末中添加纳米铝粉，并优化纳米铝粉的添加量，使得纳米铝粉能够在模具钢基体中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导钢结构形成平均晶粒尺寸不超过100nm的均匀纳米结构，从而达到纳米增强的目的。
附图说明
图1为实施例1的纳米模具钢的SEM图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.2％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
实施例2
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.5％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
实施例3
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.9％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
实施例4
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.3％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
实施例5
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.5％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
对比例1
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.0％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
对比例2
一种新型纳米模具钢，其成分按质量百分比计包括：铝：3.0％，碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量；
所述纳米模具钢的制备方法为：将纳米铝粉与其余原料组分按上述比例混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却得到纳米模具钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为30nm。
对比例3
现有的H13模具钢成品，其成分按质量百分比计为：碳：0.4％，锰：0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％，钒：1.2％，钼：1.3％，硫：0.03％，磷：0.03％，铁：余量。
使用洛氏硬度计测试上述实施例和对比例的纳米模具钢的硬度，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002504994970000041
Figure BDA0002504994970000051
由表1结果可知，与对比例1-3相比，实施例1-5的纳米模具钢的硬度明显提高。
对实施例1的纳米模具钢和对比例3进行机械性能分析，结果分别如表2所示。
表2
Figure BDA0002504994970000052
由表2结果可知，相较于对比例3，实施例1的纳米模具钢的强度明显增加，而韧性略有降低。
对实施例1的纳米模具钢进行XRD分析，结果分别如表3所示。
表3
Figure BDA0002504994970000053
对实施例1的纳米模具钢进行扫描电镜分析，结果分别如图1所示，纳米模具钢的纳米结构均匀、微孔隙小。
上述结果表明，本发明的纳米模具钢可以形成平均晶粒尺寸不超过100nm的均匀纳米结构，这些纳米结构对原模具钢性能产生增强效果，使纳米模具钢样品的硬度和强度有显著的提高。
此外，本发明可根据实际性能要求，对纳米模具钢的成分进行调整，该纳米模具钢的成分按质量百分比计包括：铝：1.5％-2.5％，碳：0.32％-0.45％，锰：0.2％-0.5％，硅：0.8％-1.2％，铬：4.75％-5.5％，钒：0.8％-1.2％，钼：1.10％-1.75％，其余为铁和不可避免的杂质，尤其当纳米模具钢的成分按质量百分比计为：铝：1.9％-2.3％，碳：0.35％-0.4％，锰：0.3％-0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％-5.5％，钒：1.0％-1.2％，钼：1.3％-1.5％，其余为铁和不可避免的杂质时，得到的纳米模具钢具有更高的力学强度和硬度。
本发明可以选用平均粒径为10-50nm的纳米铝粉，能够确保纳米模具钢中可形成平均晶粒尺寸不超过100nm，微孔隙小的均匀纳米结构，实现良好的增强效果。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种新型纳米模具钢，其特征在于，由基体原料和纳米铝粉制成，且所述纳米模具钢的平均晶粒尺寸在100nm以下，其成分按质量百分比计包括：铝：1.5％-2.5％，碳：0.32％-0.45％，锰：0.2％-0.5％，硅：0.8％-1.2％，铬：4.75％-5.5％，钒：0.8％-1.2％，钼：1.10％-1.75％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的新型纳米模具钢，其特征在于，所述纳米模具钢中铝的质量百分比为1.9％-2.3％。
3.根据权利要求2所述的新型纳米模具钢，其特征在于，所述纳米模具钢的成分按质量百分比计包括：铝：1.9％-2.3％，碳：0.35％-0.4％，锰：0.3％-0.4％，硅：1.0％，铬：5.0％-5.5％，钒：1.0％-1.2％，钼：1.3％-1.5％，其余为铁和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的新型纳米模具钢，其特征在于，所述纳米模具钢的平均晶粒尺寸为40-80nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的新型纳米模具钢，其特征在于，所述纳米铝粉的平均粒径为10-50nm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的新型纳米模具钢，其特征在于，所述杂质为硫和磷，且所述纳米模具钢中硫的质量百分比≤0.03％，所述纳米模具钢中磷的质量百分比≤0.03％。
7.权利要求1-6任一项所述的新型纳米模具钢的制备方法，其特征在于，将纳米铝粉与基体原料按比例配料并混合均匀后，加热至1500℃以上，冶炼后冷却，得到平均晶粒尺寸在100nm以下的纳米模具钢。
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