阅读说明：本技术 一种新型纳米中碳结构钢及其制备方法 (Novel nano medium carbon structural steel and preparation method thereof ) 是由 王伟 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型纳米中碳结构钢及其制备方法。本发明通过在中碳结构钢基体原料粉末中添加一定量的纳米铝粉,纳米铝粉能够在中碳结构钢基体中均匀弥散形成纳米晶核,然后诱导基体钢结构形成平均晶粒尺寸不超过100nm的均匀纳米结构,从而对中碳结构钢的性能产生增强效果。(The invention discloses novel nano medium carbon structural steel and a preparation method thereof. According to the invention, a certain amount of nano aluminum powder is added into the raw material powder of the medium carbon structure steel matrix, the nano aluminum powder can be uniformly dispersed in the medium carbon structure steel matrix to form nano crystal nuclei, and then the matrix steel structure is induced to form a uniform nano structure with the average grain size not exceeding 100nm, so that the performance of the medium carbon structure steel is enhanced.)

一种新型纳米中碳结构钢及其制备方法

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中碳结构钢及其制备方法。

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中碳结构钢。

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中碳结构钢及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种新型纳米中碳结构钢，由基体原料和纳米铝粉制成，且所述纳米中碳结构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：0.42％-0.50％，锰：0.5％-0.8％，硅：0.17％-0.37％，铬：≤0.25％，镍：≤0.3％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明在冶炼过程中，通过在中碳结构钢(45#)基体原料粉末中添加纳米铝粉，纳米铝粉在中碳结构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，确保其平均晶粒尺寸在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。本发明的制备工艺简单，有利于实现纳米中碳结构钢的工业化生产。

进一步地，所述纳米中碳结构钢中铝的质量百分比为1.8％-2.3％，通过优选纳米铝粉的添加量，使得纳米铝粉能够在中碳结构钢基体中均匀弥散形成纳米晶核，进一步提高纳米中碳结构钢的机械强度和硬度。

进一步地，所述纳米中碳结构钢的成分按质量百分比计包括：铝：1.8％-2.3％，碳：0.45％，锰：0.5％-0.8％，硅：0.17％-0.37％，铬：≤0.25％，镍：≤0.3％，其余为铁和不可避免的杂质，更有利于提高该纳米中碳结构钢的机械强度和硬度。

进一步地，所述纳米中碳结构钢的平均晶粒尺寸为≤50nm，使得该纳米中碳结构钢具有较高的硬度和力学强度。

进一步地，所述纳米铝粉的平均粒径为10-50nm。纳米铝粉作为中碳结构钢的成核剂诱导纳米结构的形成，为防止晶粒增大过大，本发明的纳米铝粉的粒径优选在50nm以下，而10nm以下的铝粉因粒径太小，容易团聚，不利于均匀纳米结构的形成。

进一步地，所述杂质为磷，且所述纳米中碳结构钢中杂质的质量百分比≤0.035％。

本发明还提供了上述的新型纳米中碳结构钢的制备方法，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以下的纳米中碳结构钢。本发明的制备工艺简单，且制得的米中碳结构钢纳米晶粒尺寸均匀、微孔隙小，具有较高机械强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过在中碳结构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中碳结构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的纳米中碳结构钢的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

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.0％，碳：0.45％，锰：0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

实施例2

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.5％，碳：0.45％，锰：0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

实施例3

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.5％，碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

实施例4

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.8％，碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

实施例5

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.3％，碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

对比例1

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：2.8％，碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

对比例2

一种新型纳米中碳结构钢，其成分按质量百分比计包括：铝：1.2％，碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量；

所述纳米中碳结构钢的制备方法为：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中碳结构钢，其中选用的纳米铝粉的平均粒径为20nm。

对比例3

中碳结构钢(45#钢)成品，其成分按质量百分比为：碳：0.45％，锰:0.6％，硅：0.2％，铬：0.25％，镍：0.3％，磷：0.035％，铁：余量。

使用洛氏硬度计测试上述实施例的纳米中碳结构钢和对比例的中碳结构钢(45#钢)成品的硬度。

表1

对实施例1的纳米中碳结构钢和对比例3的中碳结构钢(45#钢)成品进行力学性能测试，结果分别如表2所示。

表2

对实施例1的纳米中碳结构钢进行XRD分析，结果分别如表3所示。

表3

对实施例1的纳米中碳结构钢进行扫描电镜分析，结果分别如图1所示。

由上述结果可知，本发明在冶炼过程中，在原料中添加一定量的纳米铝可以诱导形成平均晶粒尺寸不超过100nm，微孔隙小的均匀纳米结构，这些纳米结构对原中碳结构钢性能产生增强效果，有利于提高纳米中碳结构钢的硬度，尤其当纳米中碳结构钢中铝的质量百分比控制为1.8％-2.3％时，制备得到的纳米中碳结构钢铝粉的硬度较高。

此外，本发明可根据实际性能要求，对纳米中碳结构钢成分进行调整，该纳米中碳结构钢的成分按质量百分比计包括：铝：1.5％-2.5％，碳：0.42％-0.50％，锰：0.5％-0.8％，硅：0.17％-0.37％，铬：≤0.25％，镍：≤0.3％，其余为铁和不可避免的杂质，尤其当纳米中碳结构钢的成分按质量百分比计为：铝：1.8％-2.3％，碳：0.45％，锰:0.5％-0.8％，硅：0.17％-0.37％，铬：≤0.25％，镍：≤0.3％，其余为铁和不可避免的杂质时，得到的纳米中碳结构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，能够确保纳米中碳结构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。

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。