专利名称：纳米颗粒增强模具钢制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于模具钢技术领域，涉及一种纳米粉体强化模具钢制备方法，特别是一种纳米颗粒增强模具钢制备工艺。
背景技术：
随着现代机械设备和制造技术的发展，对零件的性能和质量提出了越来越高和越来越苛刻性能的要求，传统的模具钢材料是通过在冶炼钢液中加入一定数量的合金元素， 使其在凝固过程中形成一定数量的一次碳化物，并通过热处理使其再析出一定数量的二次碳化物，从而使材料在保持一定韧性的基础上，达到抗磨损性能。但由于受制造工艺的限制，其碳化物的总量一般小于20%，由于碳化物的含量相对较少，因而材料的耐磨性能无法满足现代工业对材料抗磨性能的要求，更无法满足在恶劣工矿使用条件下的即要求材料具有高耐磨性，又要具备高强度、高韧性极耐腐蚀性等多项性能的苛刻要求。因此研究开发高性能、高寿命模具钢不仅具有良好的经济效益，而且还具有重要的科学和社会意义。颗粒增强金属基一纳米复合材料，就是将纳米颗粒溶合到金属基体中，使纳米粒子与金属基体紧密结合，使之具有长期的稳定性。而且复合之后，在光学、机械性能等方面也可显示出更大的优势。把纳米材料与金属基体进行有机的复合，利用纳米材料与基体的相互作用产生的效应，还可以实现两者的优势互补，开发性能优异的新功能材料。实验表明在钢中加入非金属纳米粉，能大量增加钢液中外来的异质核心，使钢中的夹杂物弥散化，减少或消除夹杂物的有害作用，这样就可以降低对钢纯净度的要求。钢中加入非金属纳米粉还有可能细化钢的基体组织，大量异质质点的存在，在钢中能起弥散强化的作用。因此，在钢中加入非金属纳米粉能大大提高钢的性能，改善钢的质量。具有力学性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热好、不吸湿、不吸气、尺寸稳定、不老化等优点，故以其优异的性能应用于自动化、航天、航空和汽车工业、先进制造业等高技术领域。由于金属基纳米复合材料所具有的上述各项优良性能和所具有的广泛的市场前景，世界各国均在对其进行大力开发和研究，并开发出了各种制备工艺。目前，国内外所开发的制备金属基纳米复合材料的方法主要有机械合金化法(Mechanical alloying, ΜΑ), 熔融纺丝(Meltspun，MS)法、粉末冶金法(Powder metallurgy, PM)、机械诱发自蔓延高温合成(Self-propagatinghigh-temperature synthesis, SHS)反应法、真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位力口压法(Inert gas con-densation method combined with vacuum co-evaporation andin-situ compaction, ICVCSC)等，上述各种制备工艺它们各具特色， 适用范围不尽相同，所制备出的各种金属基纳米复合材料在性能上与传统材料相比均有大幅度的提高，在发展传统复合材料与开发新型复合材料方面起着巨大的推动作用。但这些制备技术均存在自身局限性，其中大多数由于设备昂贵，工艺复杂且难以控制而仍集中于实验室研究阶段。为实现纳米颗粒增强复合材料的制造，国内外均开展了大量的研究开发工作，不断的研究出了新的制备工艺，在制造有色金属纳米颗粒增强复合材料工艺上，中国发明专
3利ZL200510011568. 4公开了一种纳米颗粒增强高强韧铸造镁合金及其制备成型工艺，该工艺所制造的镁合金基体组分及重量百分比含量为5.0 10.0% Al，0. 1 1.0% Zn， 0. 05 0. 5% Mn,限制元素 Si 彡 0. 05%, Fe 彡 0. 005%, Cu ^ 0. 01%, Ni ^ 0. 002%，其余为镁。使用的颗粒为SiC纳米颗粒，粒径小于lOOnm，添加量为合金体积含量的0. 1 3.0%。SiC纳米颗粒添加前要进行预处理，其预处理工艺为1、在容器中导入适量分析纯乙醇，将一定量的干燥SiC纳米颗粒放入容器中，搅拌，充分润湿，SiC纳米颗粒与乙醇的比例为lg/10ml lg/3ml ；2、将占上述混合物体积1/50 1/10的聚乙烯醇溶液加入到SiC纳米颗粒与乙醇的混合物中，充分搅拌，混合均勻；3、将含有SiC纳米颗粒的上述混合物置于烘箱中干燥，烘烤温度为80 95°C。纳米颗粒增强铸造镁合金的制备成型工艺为1、将镁合金材料加入到刷过涂料的干燥坩埚中，为防止熔炼过程中镁合金氧化燃烧，使用溶剂或高纯氩气加以保护，溶化后溶液温度保持在680 720V ；2、控制镁合金溶液温度至650 700°C (高于镁合金液相线60 80°C )或5850 610°C (低于镁合金液相线50 30°C )，去除表面浮渣，将占镁合金体积0. 1 3. 0的通过液处理工艺的SiC纳米颗粒加入合金液中，压入液面下搅拌，搅拌时间3 10分钟，搅拌器转速10000 2000转/分钟；3、精炼除气后，控制浇注温度为650 700°C去除出表面浮渣，通过重力模铸或压铸得到纳米颗粒增强的高强韧铸造镁合金铸件。该工艺在传统铸造镁合金的基础上，通过加入纳米强化颗粒，提高铸造镁合金的强韧性；通过对纳米颗粒进行预处理，增加颗粒与镁合金的润湿性；通过控制适当的镁合金液温度和机械搅拌工艺，使纳米颗粒在镁合金液中分布均勻。但由于该工艺所使用的SiC纳米颗粒在800°C就可以发生分解，并且随着温度的升高，分解变得更加剧烈，而且SiC纳米颗粒直接加入合金中，无法解决纳米颗粒的团聚， 增强颗粒量少，使用机械搅拌，因此该工艺仅适用于有色金属，而不适用与高温金属。中国发明专利ZL200510127307. 9公开了一种纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料及制备方法， 该方法是采用纳米碳化硅颗粒和铝粉作为原料制成；其中纳米碳化硅颗粒的体积占原料体积的0. 5 20%，铝粉的体积占原料体积的80 99. 5%。其制备方法为1、将原料混合投入密封球磨罐后抽真空再充入氩气反复进行2 10次；2、高能球磨；3、热压烧结；4、热挤压，即得到纳米碳化硅颗粒增强铝基复合材料。本发明制备工艺简单，成本低，纳米碳化硅颗粒在铝基体内分布均勻，制粉率高，而且，复合材料的力学性能有显著提高。它解决了传统制备颗粒增强铝基复合材料的方法中纳米级增强颗粒不能均勻分布于铝基体内，制备工艺繁杂，成本高的问题。但由于该工艺采用铝粉作原料，并采用粉末冶金工艺热压烧结后再热挤压，因为工艺复杂，成本高，设备投资大，技术难度大，同样仅适用于低温金属。为实现纳米合金钢的生产，使其在模具材料和耐磨材料领域上实现应用，近年来， 国内外开展了大量的研究，开发出了一些新型制备工艺。中国发明专利ZL200610046063. 6 公开了一种高强耐磨耐高温纳米合金钢材料及其制作方法，该发明为依据冶炼方法制取纳米合金钢。该材料的化学成分(按重量百分比)为钨(W)O. 06 6.0%，锰(Mn)O. 6 3. 0%，钒(V)O. 06 6. 0%，铌(Nb)0. 22 4. 0%，钼(Mo)0. O 7. 0，碳(C)O. 5 4. 0，铬 (Cr) 1.0 8.0，其他元素0. 1 3.0，其余为铁(Fe)。所用的主体设备为真空感应炉。工艺流程主要包括原料准备、入炉冶炼、铸造成型等三道工序。原料采用生铁或普碳钢，合金采用上述所配比成分元素的铁合金。生产工艺为将上述各种原料在真空感应炉内进行真空冶炼，当温度达到1620 1750°C，入炉原料全部熔化且成分均勻之后，冶炼出钢，铸锭成型。 所生产的钢锭经检验80%晶粒度小于50nm。该工艺具有生产工艺简单，成本低等优点。但该工艺仅是利用目前国内外所广泛应用的微合金细化晶粒，通过合金元素抑制钢的晶粒长大原理进行制备的，尤其是利用铌(Nb)在金属结晶过程中所具有的能够抑制再结晶，提高材料的再结晶温度的性能进行制造的，所制造的钢锭仍然属于细晶粒钢范围，不能够称其为纳米合金钢。且该工艺是通过高纯净度金属液和微合金化相结合的方式，在钢内部形成一定的形核粒子，由于这些粒子几乎在固相线以下奥氏体中析出，所以对奥氏体本身的形核起不到形核核心作用，即对细化铸态晶粒没有作用，只能对后期热加工过程中的晶粒长大起钉扎阻碍作用，因而存在对钢液的纯净度要求高，所生产的合金钢的质量稳定性差，缺乏第二相粒子对晶粒的钉扎，质量难以保证，工艺可控性差，生产过程控制要求较高，控制难度大等缺陷。由于纳米粉的粒径小，表面能高，因而具有自发团聚的趋势，很难将其在介质中一粒一粒地分散开来。所以，如何改善纳米粉体在介质中的分散性是纳米粉体材料应用中的技术关键。要将金属纳米粉应用到粉末冶金工艺，以降低烧结温度并改进冶金制品的性能， 首先需要考虑的是，如何使金属纳米粉在常用微米级粉末中均勻分散的问题。此外，在纳米金属基复合材料的的制备过程中，往往会遇到增强体与金属基体之间的相容性问题，即增强体与金属基体的润湿性要求。同时，无论是固相法还是液相法，增强体与金属基体之间都存在有界面反应，它影响到金属基复合材料在高温制备时和高温应用时的性能和稳定性。 如果增强体(颗粒、纳米颗粒、晶须等)能从金属基体中直接(即原位)生成，则上述相容性问题可以得到较好的解决。原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生产相的热力学稳定性好，不存在增强体与金属基体之间的润湿和界面反应等问题，这种制备方法就是原位复合法。原位合成的概念起源于凝固过程中的原位结晶和原位聚合，作为一种突破性新的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。目前常用的几种方法有原位凝固自生法、原位反应热压法、内氧化工艺法、反应机械合金化技术等。原位合成技术能克服基体与第二相或与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，第二相或增强相分布不均勻等问题，因而在开发新型金属基纳米复合材料方而具有巨大的潜力，但是目前的研究工作更多集中在铝基复合材料上，有关原位合成铁基复合材料的研究正受到越来越多的重视。由于模具钢熔化温度高， 纳米颗粒加入钢中后存在着在钢中的均勻分散技术难度大等诸多关键因素，严重制约着金属基纳米复合材料的开发应用，致使目前国内外所开发的一些金属基纳米复合材料的制备工艺仍停留在实验阶段，使目前对于金属基一纳米复合材料的研究尚属空缺，至少还没有形成产品。因此，研究开发具有制备工艺简单，生产成本低的纳米粉体改性强化模具钢制备方法，对提高模具钢使用寿命，降低模具制造和使用成本，提高生产效率，节约贵重合金和能源消耗，具有重大的科学意义和经济意义
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种纳米颗粒增强模具钢制备方法，将纳米颗粒添加到模具钢基体中，纳使米颗粒在模具钢基体金属中分布均勻，实现纳米颗粒与模具钢材料的有效复合，从而制备出性能优异的新型高性能纳米粉体改性高耐磨模具钢，获得具有制备工艺简单，生产成本低，产品性能好的纳米改性高耐磨模具钢制备方法。本发明的内容包括原位合成纳米颗粒工艺，制备纳米强化耐磨模具钢工艺。本发明的纳米粉体强化强化模具钢基体材质为目前国内外所应用的各种热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢、高速钢、耐热不锈钢、高温合金、工具钢，其化学成分重量百分比为上述各种模具钢、高速钢、耐热不锈钢、高温合金、工具钢的标准型组分及重量百分比含量或改进型组分及重量百分比含量；所原位合成的纳米颗粒为各种碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或碳化物、氮化物、硼化物、氧化物之中的任何两种及其两种以上的混合体所组成的复合体，纳米颗粒直径小于lOOnm，添加量为模具钢重量百分比的0. 6%。本发明的制备工艺为 1、原位合成纳米颗粒预制块制备工艺(1)原位合成纳米颗粒增强预制块制备工艺将纯度大于或等于99%，粒度小于800 μ m的工业Ti粉，纯度大于或等于99%， 粒度小于400 μ m的工业Al粉、氮化硅粉和石墨粉，配制比例为Si3N4 Ti Al C的摩尔比为2 2 13. 4) (13. 5 3. 7) QO. 43 3. 9)，并按照上述粉体总重量的 5% 10添加颗粒度为300nm的Al2O3 ；将按照上述比例配制好的原位合成纳米颗粒原料装入高能搅拌球磨机上球磨20h 40h后，制备成晶粒度小于IOOnm的原位合成TiNC/Si3N4/ Al2O3纳米混合粉体；将所制备好的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体与预扩散用的颗粒度为100 400目的铁粉按照重量百分比1 0. 5 1 2的比例称取，放入搅拌球磨机内进行搅拌混合均勻后，将占上述混合物体积1/30 1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到球磨机内，充分搅拌，混合均勻，制成原位合成纳米颗粒预分散粉体后倒出；将混合均勻后的含有预扩散原位合成纳米颗粒的混合粉体置于烘箱中经70°C 100°C的温度烘烤干燥；(2)纳米颗粒增强分散预制块制备工艺a、将经过上述预处理后的含有预扩散铁粉的原位合成纳米混合粉体硼砂碳酸钠氯化铵按照纳米颗粒混合粉体重量百分比为100 1 0.5 0.5的比例配制并搅拌均勻；b、将搅拌均勻的原位合成纳米颗粒混合粉体用模具制成块状或粒状坯料，将所制备好的块状或粒状坯料经100°c 380°C烘干即得到预扩散纳米粉体混合料预制块；(3)纳米颗粒增强具钢的制备成型工艺过程为a、采用铸造生产工艺，将所述原位合成纳米粉体混合料预制块按模具钢钢水重量的0. 6%加入量称取后，将其放在钢水包的底部，将所需成分的模具钢按照冶炼工艺要求进行冶炼和精炼后倒入已放入纳米粉体混合料预制块的钢水包内，高温钢水与钢水包底的纳米粉体混合料预制块发生反应，预制块在钢水内原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒，将钢水包调入电磁搅拌器中进行电磁搅拌约5 15分钟，通过调整和控制电磁搅拌强度，使原位合成纳米粉体混合料预制块在钢水中分散后形成充分扩散，均勻分布在模具钢钢水中；
b 浇注成型将已经扩散有原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒的模具钢水按照常规模具钢铸造成型工艺进行金属型铸造、砂型铸造、负压实型铸造、离心铸造、真空铸造成型，即得到纳米改性模具钢铸造坯料，按照常规加工工艺将含有TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体改性的模具钢铸造坯料进行电渣熔铸或锻造成型，制造成所需几何形状和尺寸的纳米颗粒增强模具钢。有益效果 与已有技术相比，本发明有效果体现在1、本发明是将原位合成纳米颗粒加入适量的铁粉进行预分散，然后加入适量的粘结剂和熔剂制成分散预制块，加入钢水包中，采用块体分散法使纳米颗粒扩散在模具钢基体内，通过电磁搅拌器使其在模具钢基体内形成均勻分散，采用铸造法成型。本工艺采用原位合成纳米颗粒工艺改善了纳米颗粒与模具钢基体的润湿性能，增强体表面无污染，与基体间相容性好，界面结合强度高；省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本相对较低。2、由于加入Al2O3纳米增强相促进了粉体的纳米化，缩短纳米化的时间，提高球磨效率，起到快速纳米化的作用。同时，可以有效地阻止TiNCVSi3N4纳米颗粒在高温钢液中的晶粒长大。3、通过预扩散工艺解决了纳米颗粒团聚的难题，并且增加了纳米颗粒在基体中的分散度，通过二次扩散工艺和电磁搅拌工艺得到均勻分布纳米颗粒的模具钢，使模具钢得到改性和强化。通过调整纳米颗粒的加入量可调节其体积分数，在保证材料冲击韧性的前提下，纳米颗粒体积分数越大，材料耐磨性越高，另由于纳米颗粒的加入可得到异质形核， 细化了碳化物晶粒，也相应提高了材料的耐磨性。4、在传统模具钢和金属耐磨材料铸造成型的基础上，通过加入纳米强化颗粒，提高模具钢材料强度、强韧性和耐磨性能。5、在扩散工艺上，通过控制适当的金属液温度和电磁搅拌工艺，使纳米颗粒在模具钢材料金属液中的分布和强化效果更加有效。6、本发明的纳米粉体改性模具钢具有优良力学性能，可以满足各种工况下的使用要求，大大降低了纳米颗粒增强改性模具钢的制备成本，生产工艺简单，无须特殊设备，普通铸造工厂即可生产。
具体实施例方式实施例1在Cr12MoV冷作模具钢中添加纳米颗粒进行改性。Cr12MoV冷作模具钢的化学成分为 Cl. 45 1. 70，Cr4. 75 5. 5，MoO. 40 0. 60，Si < 0. 40，V0. 15 0. 30，Mn < 0. 40， 重量为1000kg。Ti&/Al203纳米颗粒尺寸为lOOnm，加入量重量百分比为1.5%。制备工艺为1)原位合成纳米颗粒预制块制备工艺将纯度大于或等于99%，粒度小于800 μ m的工业Ti粉，纯度大于或等于99%， 粒度小于400 μ m的工业Al粉、氮化硅粉和石墨粉，配制比例为Si3N4 Ti Al C的摩
7尔比为2 2 13. 4) (13. 5 3. 7) QO. 43 3. 9)，并按照上述粉体总重量的 5% 10添加颗粒度为300nm的Al2O3，以促进粉体的纳米化，缩短纳米化的时间，提高球磨效率，起到快速纳米化的作用。将按照上述比例配制好的原位合成纳米颗粒原料装入高能搅拌球磨机上球磨20h 40h后，制备成晶粒度小于IOOnm的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体；将所制备好的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体与预扩散用的颗粒度为100 400目的铁粉按照重量百分比1 0.5 1 2的比例称取，放入搅拌球磨机内进行搅拌混合均勻后，将占上述混合物体积1/30 1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到球磨机内， 充分搅拌，混合均勻，制成原位合成纳米颗粒预分散粉体后倒出；将混合均勻后的含有预扩散原位合成纳米颗粒的混合粉体置于烘箱中经70°C 100°C的温度烘烤干燥；2)纳米颗粒分散预制块制备工艺a、将经过上述预处理后的含有预扩散铁粉的原位合成纳米混合粉体硼砂碳酸钠氯化铵按照纳米颗粒混合粉体重量百分比为100 1 0.5 0.5的比例配制并搅拌均勻；b、将搅拌均勻的纳米颗粒混合粉体用模具制成块状或粒状坯料，将所制备好的块状或粒状坯料经100°c 380°C烘干即得到预扩散纳米粉体混合料预制块；3)纳米颗粒增强模具钢的制备成型工艺过程为a、采用金属型铸造生产工艺，将所述纳米粉体混合料预制块按Cr12MoV冷作模具钢钢水重量的1.6%加入量称取后，将其放在钢水包的底部，按照Cr12MoV冷作模具钢成分要求和冶炼工艺要求进行冶炼和精炼后的钢水倒入已放入原位合成纳米粉体混合料预制块的钢水包内，高温钢水与钢水包底的原位合成纳米粉体混合料预制块发生反应，预制块在钢水内原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒，将钢水包调入电磁搅拌器中进行电磁搅拌约6分钟，使纳米粉体混合料预制块在钢水中分散后形成充分扩散，均勻分布在 Cr12MoV冷作模具钢钢水中；将已经扩散有纳米颗粒的Cr12MoV冷作模具钢钢水浇入金属型内铸造成型，即得到纳米颗粒增强的Cr12MoV冷作模具钢铸造坯料；对成型后的纳米颗粒增强Cr12MoV冷作模具钢铸造坯料，按照常规加工工艺进行电渣熔铸和锻造成型加工，制造成所需几何形状和尺寸的纳米粉体改性高耐磨Cr12MoV冷作模具钢。实施例2在H13热作模具钢中添加纳米颗粒进行改性。H13热作模具钢的化学成分为C 0. 31 0. 45，Cr4. 75 5. 5，Mol. 10 1. 75，SiO. 81 1. 20，VO. 80 1. 20，Mn < 0. 40， 重量为1000kg。TW2Al2O3纳米颗粒尺寸为50nm，加入量重量百分比为2.5%。制备工艺为1)原位合成纳米颗粒预制块制备工艺将纯度大于或等于99 %，粒度小于800 μ m的工业Ti粉，纯度大于或等于99 %， 粒度小于400 μ m的工业Al粉、氮化硅粉和石墨粉，配制比例为Si3N4 Ti Al C的摩尔比为2 2 13. 4) (13. 5 3. 7) QO. 43 3. 9)，并按照上述粉体总重量的 5% 10添加颗粒度为300nm的Al2O3，以促进粉体的纳米化，缩短纳米化的时间，提高球磨效率，起到快速纳米化的作用。将按照上述比例配制好的原位合成纳米颗粒原料装入高能搅拌球磨机上球磨20h 40h后，制备成晶粒度小于IOOnm的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳
8米混合粉体；将所制备好的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体与预扩散用的颗粒度为100 400目的铁粉按照重量百分比1 0.5 1 2的比例称取，放入搅拌球磨机内进行搅拌混合均勻后，将占上述混合物体积1/30 1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到球磨机内， 充分搅拌，混合均勻，制成原位合成纳米颗粒预分散粉体后倒出；将混合均勻后的含有预扩散原位合成纳米颗粒的混合粉体置于烘箱中经70°C 100°C的温度烘烤干燥；2)纳米颗粒分散预制块制备工艺a、将经过上述预处理后的含有预扩散铁粉的原位合成纳米混合粉体硼砂碳酸钠氯化铵按照纳米颗粒混合粉体重量百分比为100 1 0.5 0.5的比例配制并搅拌均勻；b、将搅拌均勻的纳米颗粒混合粉体用模具制成块状或粒状坯料，将所制备好的块状或粒状坯料经100°c 380°C烘干即得到预扩散纳米粉体混合料预制块；3)纳米颗粒增强模具钢的制备成型工艺过程为a、采用金属型铸造生产工艺，将所述纳米粉体混合料预制块按H13热作模具钢钢水重量的1. 6%加入量称取后，将其放在钢水包的底部，按照H13热作模具钢成分要求和冶炼工艺要求进行冶炼和精炼后的钢水倒入已放入原位合成纳米粉体混合料预制块的钢水包内，高温钢水与钢水包底的原位合成纳米粉体混合料预制块发生反应，预制块在钢水内原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒，将钢水包调入电磁搅拌器中进行电磁搅拌，使纳米粉体混合料预制块在钢水中分散后形成充分扩散，均勻分布在H13热作模具钢钢水中。与实施例的不同点在于进行电磁搅拌的时间约为8分钟。其它工艺过程与实施例 1同，略。实施例3在W6Mo5Cr4V2高速钢中添加纳米颗粒进行改性强化。W6Mo5Cr4V2高速钢的化学成分为 CO. 80 0. 90，Cr3. 80 4. 40，W4. 50 5. 50，Μο5· 50 6. 75，Si < 0. 40，Mn < 0. 40， VI. 75 2. 25，重量为IOOOkg0 TiB2Al2O3纳米颗粒尺寸为70nm,加入量重量百分比为 0. 7%。1)原位合成纳米颗粒预制块制备工艺将纯度大于或等于99 %，粒度小于800 μ m的工业Ti粉，纯度大于或等于99 %， 粒度小于400 μ m的工业Al粉、氮化硅粉和石墨粉，配制比例为Si3N4 Ti Al C的摩尔比为2 2 13. 4) (13. 5 3. 7) 43 3. 9)，并按照上述粉体总重量的 5% 10添加颗粒度为300nm的Al2O3，以促进粉体的纳米化，缩短纳米化的时间，提高球磨效率，起到快速纳米化的作用。将按照上述比例配制好的原位合成纳米颗粒原料装入高能搅拌球磨机上球磨20h 40h后，制备成晶粒度小于IOOnm的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体；将所制备好的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体与预扩散用的颗粒度为100 400目的铁粉按照重量百分比1 0.5 1 2的比例称取，放入搅拌球磨机内进行搅拌混合均勻后，将占上述混合物体积1/30 1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到球磨机内， 充分搅拌，混合均勻，制成原位合成纳米颗粒预分散粉体后倒出；将混合均勻后的含有预扩散原位合成纳米颗粒的混合粉体置于烘箱中经70°C 100°C的温度烘烤干燥；2)纳米颗粒分散预制块制备工艺a、将经过上述预处理后的含有预扩散铁粉的原位合成纳米混合粉体硼砂碳酸钠氯化铵按照纳米颗粒混合粉体重量百分比为100 1 0.5 0.5的比例配制并搅拌均勻；b、将搅拌均勻的纳米颗粒混合粉体用模具制成块状或粒状坯料，将所制备好的块状或粒状坯料经100°c 380°C烘干即得到预扩散纳米粉体混合料预制块；3)纳米颗粒增强模具钢的制备成型工艺过程为a、采用金属型铸造生产工艺，将所述纳米粉体混合料预制块按W6Mo5Cr4V2高速钢钢水重量的1.6%加入量称取后，将其放在钢水包的底部，按照W6Mo5Cr4V2高速钢成分要求和冶炼工艺要求进行冶炼和精炼后的钢水倒入已放入原位合成纳米粉体混合料预制块的钢水包内，高温钢水与钢水包底的原位合成纳米粉体混合料预制块发生反应，预制块在钢水内原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒，将钢水包调入电磁搅拌器中进行电磁搅拌， 使纳米粉体混合料预制块在钢水中分散后形成充分扩散，均勻分布在W6Mo5Cr4V2高速钢钢水中。与实施例的不同点在于进行电磁搅拌的时间约为12分钟。其它工艺过程与实施例1、2同，略。
权利要求
1.一种纳米颗粒增强模具钢制备工艺，其制备工艺和步骤如下(1)原位合成纳米颗粒增强预制块制备工艺将纯度大于或等于99 %，粒度小于800 μ m的工业Ti粉，纯度大于或等于99 %，粒度小于400 μ m的工业Al粉、氮化硅粉和石墨粉，配制比例为Si3N4 Ti Al C的摩尔比为 2 (40. 2 13. 4) (13. 5 3. 7) (20. 43 3. 9)，并按照上述粉体总重量的5% 10 添加颗粒度为300nm的Al2O3 ；将按照上述比例配制好的原位合成纳米颗粒原料装入高能搅拌球磨机上球磨20h 40h后，制备成晶粒度小于IOOnm的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体；将所制备好的原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体与预扩散用的颗粒度为 100 400目的铁粉按照重量百分比1 0.5 1 2的比例称取，放入搅拌球磨机内进行搅拌混合均勻后，将占上述混合物体积1/30 1/10的聚乙烯醇稀溶液加入到球磨机内，充分搅拌，混合均勻，制成原位合成纳米颗粒预分散粉体后倒出；将混合均勻后的含有预扩散原位合成纳米颗粒的混合粉体置于烘箱中经70°C 100°C的温度烘烤干燥；(2)纳米颗粒增强分散预制块制备工艺a、将经过上述预处理后的含有预扩散铁粉的原位合成纳米混合粉体硼砂碳酸钠氯化铵按照纳米颗粒混合粉体重量百分比为100 1 0.5 0.5的比例配制并搅拌均勻；b、将搅拌均勻的原位合成纳米颗粒混合粉体用模具制成块状或粒状坯料，将所制备好的块状或粒状坯料经100°C 380°C烘干即得到预扩散纳米粉体混合料预制块；(3)纳米颗粒增强具钢的制备成型工艺过程为a、采用铸造生产工艺，将所述原位合成纳米粉体混合料预制块按模具钢钢水重量的 0. 6%加入量称取后，将其放在钢水包的底部，将所需成分的模具钢按照冶炼工艺要求进行冶炼和精炼后倒入已放入纳米粉体混合料预制块的钢水包内，高温钢水与钢水包底的纳米粉体混合料预制块发生反应，预制块在钢水内原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒，将钢水包调入电磁搅拌器中进行电磁搅拌约5 15分钟，通过调整和控制电磁搅拌强度，使原位合成纳米粉体混合料预制块在钢水中分散后形成充分扩散，均勻分布在模具钢钢水中；b 浇注成型将已经扩散有原位合成TiNC/Si3N4/Al203纳米混合颗粒的模具钢钢水按照常规模具钢铸造成型工艺进行金属型铸造、砂型铸造、负压实型铸造、离心铸造、真空铸造成型，即得到纳米改性模具钢铸造坯料，按照常规加工工艺将含有TiNC/Si3N4/Al203纳米混合粉体改性的模具钢铸造坯料进行电渣熔铸或锻造成型，制造成所需几何形状和尺寸的纳米颗粒增强模具钢。
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒增强模具钢，其特征是纳米颗粒增强模具钢基体材质为各种热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢、高速钢、耐热不锈钢、高温合金、工具钢， 其化学成分重量百分比为上述各种模具钢、高速钢、耐热不锈钢、高温合金、工具钢材料的标准型组分及重量百分比含量或改进型组分及重量百分比含量。
全文摘要
本发明为一种纳米颗粒增强模具钢制备工艺，它是将原位合成TiNC/Si3N4纳米混合粉体与预分散铁粉共同在搅拌球磨机内进行预分散混合，然后制成分散预制块，加入钢水包中，通过高温钢水使其在钢液中原位合成TiNC/Si3N4/Al2O3纳米颗粒混合粉体，通过电磁搅拌器使其在模具钢基体内形成均匀分散，采用铸造法成型。本发明采用原位合成纳米颗粒改善了纳米颗粒与基体的润湿性能，通过二次扩散和电磁搅拌工艺得到均匀分布纳米颗粒的模具钢，使模具钢得到改性和强化。通过调整纳米颗粒的加入量可调节其体积分数，以满足不同使用工况的要求。本发明的纳米改性高耐磨模具钢具有优良力学性能，生产工艺简单，制备成本低。
文档编号B22D19/14GK102357653SQ201110358768
公开日2012年2月22日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者丁刚, 丁家伟, 孙健, 张新房, 王伟浩, 耿德英, 陈小妹 申请人:江苏银宇模具材料有限公司