CN104060217A

CN104060217A - 金刚石纳米改性42CrMo钢材及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104060217A
Application number: CN201410228730.7A
Authority: CN
Inventors: 史宝光; 王严岩; 孙玉辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明公开一种金刚石纳米改性42CrMo钢材及其制备方法和应用，其以烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂、金刚石纳米粉为改性剂，在热处理下纳米金刚石在42CrMo钢材基体的表层快速扩散，42CrMo钢材向奥氏体转变的同时实现表层的纳米重构。其韧性、塑性与42CrMo钢材基体材料相当，但其硬度达HRC66-72，抗拉强度在1750-2200MPa，耐磨性是氮化合金钢的10倍，可应用于船舶、车辆、矿山设备等机器的传动和耐磨设备中，以提高其使用寿命、减少维护，减少空间占用，减轻设备重量，降低能量消耗。

Description

金刚石纳米改性42CrMo钢材及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及金刚石纳米改性钢复合材料技术领域，特别公开一种金刚石纳米改性42CrMo钢材及其制备方法和应用。

背景技术

微纳米颗粒的金刚石在一定条件下可以进入钢材内部，改变钢材的微观结构和力学性能，使钢材从表面到内部的不同深度具有不同的、连续变化的微观结构和性能，获得钢基纳米金刚石复合材料。

例如，专利CN1380438A公开了一种钢材表面渗金刚石处理新方法，将钢材装设在热处理炉内，使钢材的渗透部分与金刚石微粉保持接触，渗火温度控制在奥氏体区内，Fe-Fe₃C相图中C-S-E线以上，N-J-E线以下，渗金刚石温度保持在t≥4小时；其钢材经渗金刚石后，提高了耐腐蚀性，并具有极高的耐磨性，特别是硬度达到HRC75度以上。

随着金刚石纳米改性钢材的应用越来越广泛，其改性技术也迅速发展。例如，CN103469150A公开了一种以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其工艺步骤如下：准备足够量的主渗剂金刚石，计算主渗剂金刚石的工艺消耗量；按工艺消耗主渗剂金刚石量的3‰-8‰选取纳米结构碳助渗剂的量；将经过分散液分散过的助渗剂和金刚石放在一起均匀混合后备用；将混合好的金刚石和助渗剂的混合料均匀涂在工件表面上；向涂有金刚石和助渗剂混合料的表面上盖一层10mm的主渗剂金刚石；将装有工件的容器放入须有保护气体的箱式或井式炉中；升温到900-1550摄氏度的温度后开始保温1-50小时；待工件达到室温后将工件从炉中取出。该方法以纳米结构碳作为助渗剂，其渗层仍相对较薄，渗透时间长，改性后的钢材物理性能仍有待进一步提高。

42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，其适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。而将42CrMo钢材应用于机械强度要求更高的传动设备领域，则需要对42CrMo钢材的表面进行改性，以进一步提高其机械强度和耐磨性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石纳米改性42CrMo钢材，其采用金刚石纳米粉进行改性处理，在42CrMo钢材的深表层纳米重构，改性后的42CrMo钢材具有高硬度、高抗拉强度、高导热性、高耐磨性。

本发明的另一个目的在于提供一种制备金刚石纳米改性42CrMo钢材的方法，其以烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂、金刚石纳米粉为改性剂，经热处理改性的42CrMo钢材，其具有渗透层深、渗透速度快，其加工工艺条件要求低、对环境无污染，适宜产业化应用。

本发明的再一个目的在于提供一种金刚石纳米改性42CrMo钢材在传动设备和矿山设备制造和修理中的应用。

本发明提供一种金刚石纳米改性42CrMo钢材，在热处理下纳米金刚石在42CrMo钢材基体的表层快速扩散，42CrMo钢材向奥氏体转变的同时实现表层的纳米重构。

所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材为以烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂、金刚石纳米粉为改性剂，经热处理改性而成的42CrMo钢材。

所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材，由下述方法制备得到：将42CrMo钢材埋伏于金刚石纳米粉中，添加烷基苯磺酸钠和甘油硬脂酸酯，其中烷基苯磺酸钠的重量为金刚石纳米粉重量的1-8‰，甘油硬脂酸酯的重量为金刚石纳米粉重量的1-3‰，梯度升温至1000-1500℃后进行保温。

本发明提供制备上述的金刚石纳米改性42CrMo钢材的方法，包括金刚石纳米改性步骤：将42CrMo钢材埋伏于金刚石纳米粉中，添加烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂，经热处理后获得金刚石纳米改性42CrMo钢材。

所述的金刚石纳米粉的粒径为200-500纳米。

烷基苯磺酸钠的添加重量为金刚石纳米粉重量的1-8‰，甘油硬脂酸酯的添加重量为金刚石纳米粉重量的1-3‰。

所述的热处理为梯度升温至1000-1500℃后进行保温。在热处理下纳米金刚石在42CrMo钢材的表层快速扩散，42CrMo钢材向奥氏体转变的同时实现表层的纳米重构。

在所述的纳米金刚石改性步骤之前，设有：

步骤1，吹砂处理：利用高速砂流的冲击作用清理和硬化42CrMo钢材基体的表面；

步骤2，化学清洗：采用化学药剂清理吹砂处理后的42CrMo钢材基体表面的油污、杂物。

高速喷射束将喷料(金刚砂、)高速喷射到42CrMo钢材工件表面，利用磨料对工件表面的冲击和切削作用，使42CrMo钢材工件的表面获得一定的清洁度和不同的硬度，一方面可改善42CrMo钢材工件表面的机械性能，提高其高温热运动时的活性力，另一方面可增加金刚石纳米粉与42CrMo钢材基体的接触面积，提高改性剂金刚石纳米粉的渗透速度和深度。

上述金刚石纳米改性42CrMo钢材的韧性、塑性与42CrMo钢材基体材料相当，但其在高应变速率下的抗冲击性能高于42CrMo钢材基体材料，其硬度达HRC66-72，抗拉强度在1750-2200MPa甚至更高，达到或超过超高强度钢的强度。同时，其摩擦系数很小，只有基体的1/5；其耐磨性是氮化合金钢的10倍。其应用于船舶、车辆、矿山等设备传动系统中，可以在结构尺寸不变时，输出更大扭矩，延长使用寿命、减少维护和维修；在输出扭矩不变的情况下，可以将设备的体积变得更小、减少空间占用，设备重量减轻，减少运行时的能量消耗。

本发明的有益效果有：

1、金刚石纳米粉向42CrMo钢材基体或工件的深表层快速扩散，扩散后的42CrMo钢材基体组织由金刚石纳米颗粒、纳米或微米晶粒、纳米相构成，进而实现42CrMo钢材基体深表层的纳米重构。

2、金刚石纳米改性42CrMo钢材的韧性、塑性与42CrMo钢材基体材料相当，但其在高应变速率下的抗冲击性能高于42CrMo钢材基体材料，其硬度达HRC66-72，抗拉强度在1750-2200MPa甚至更高，达到或超过超高强度钢的强度。

3、金刚石纳米改性后的42CrMo钢材的摩擦系数很小，只有基体的1/5；其耐磨性是氮化合金钢的10倍。

4、其具有渗透层深、渗透速度快，扩散剂和渗透剂成本低，其加工工艺条件要求低、操作简单、对环境无污染，适宜产业化应用。

附图说明

图1为本发明的金刚石纳米改性42CrMo钢材的SEM(×1000倍)图。

图2为本发明的金刚石纳米改性42CrMo钢材的SEM(×10000倍)图。

图3为本发明的金刚石纳米改性42CrMo钢材渗透、重构图(×250倍)。

具体实施方式

通过下面给出的本发明的具体实施例和比较实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。具体实施例和比较实施例中没有详细叙述的部分是采用现有技术、公知技术手段和行业标准获得的。

除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为重量百分数。

实施例1

(1)吹砂：

采用喷砂机将石英砂喷料高速喷射到42CrMo钢材工件表面，利用磨料对工件表面的冲击和表面硬化作用。

(2)化学清洗：

喷砂处理后的42CrMo钢材工件，采用化学药剂(例如，C₂H₅OH、丙酮等)清洗42CrMo钢材基体表面的油污、杂物。

(3)混粉：

添加适量的金刚石纳米粉，再添加烷基苯磺酸钠作为分散剂，烷基苯磺酸钠的添加量为金刚石纳米粉重量的1-8‰，按金刚石纳米粉重量和需要渗透深度决定，例如，可以参考现有专利CN103469150A的方式计算渗透剂金刚石纳米粉和分散剂烷基苯磺酸钠作工艺消耗量。本实施例中，为制备锚链收放轮，可以参考表1中的要求进行。

然后，在震动混料机上800Hz-1500Hz、震幅1-3mm、震动时间1-8小时。

(4)前处理：

甘油硬脂酸酯的添加重量为金刚石纳米粉重量的1-3‰，加热到60℃，涂于改性件表面厚度1-2mm。

(5)热处理：

将工件放入工装，将工装放入加热炉。进行梯级升温和保温，按照所需的渗透深度要求对应设定保温时间。

(6)金刚石纳米改性42CrMo钢材工件的应用

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件制作锚链收放轮(又称“锚链轮”)，应用于船舶的传动设备中。

表1 渗透深度与改性剂、分散剂、助渗剂用量的对应表

序号	渗透深度/mm	金刚石用量	金刚石消耗量/g	分散剂用量/g	助渗剂用量
						1	0.001	过量	1	0	0.05％
2	1	过量	10	0.5	0.08％
						3	5	过量	58	3	0.1％
4	10	过量	82	2	0.3％
						5	20	过量	140	3	0.5％
6	40	过量	200	4	0.8％

实施例2

该实施例的实施过程与实施例1基本相同，其制备步骤、工艺参数的调整和性能测试的结果，详见表2、表3、表4。

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件制作轻型和重型矿车履带板。

实施例3

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件制作挖机斗齿。

实施例4

该实施例的实施过程与实施例1基本相同，其制备步骤、工艺参数的调整和性能测试的结果，详见表1、表2、表3、表4。

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件用于制作锚链收放轮(又称“锚链轮”)，应用于船舶的传动设备中。

实施例5

该实施例的实施过程与实施例2基本相同，其制备步骤、工艺参数的调整和性能测试的结果，详见表2、表3、表4。

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件用于制作轻型和重型矿车履带板产品。

实施例6

该实施例的实施过程与实施例3基本相同，其制备步骤、工艺参数的调整和性能测试的结果，详见表2、表3、表4。

将金刚石纳米改性42CrMo钢材工件用于制作挖机斗齿。

表2 改性工艺

表3 升温参数表

表4 性能测试结果

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种金刚石纳米改性42CrMo钢材，其特征在于：在热处理下纳米金刚石在42CrMo钢材基体的表层及深层快速扩散，42CrMo钢材向奥氏体转变的同时实现纳米重构。

2.根据权利要求1所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材，其特征在于：所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材为以烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂、金刚石纳米粉为改性剂，经热处理改性而成的42CrMo钢材。

3.根据权利要求2所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材，其特征在于，由下述方法制备得到：将42CrMo钢材埋伏于金刚石纳米粉中，添加烷基苯磺酸钠和甘油硬脂酸酯，其中烷基苯磺酸钠的重量为金刚石纳米粉重量的1-8‰，甘油硬脂酸酯的重量为金刚石纳米粉重量的1-3‰，梯度升温至1000-1500℃后进行保温。

4.一种制备金刚石纳米改性42CrMo钢材的方法，其特征在于：包括金刚石纳米改性步骤：将42CrMo钢材埋伏于金刚石纳米粉中，添加烷基苯磺酸钠为分散剂、甘油硬脂酸酯为渗透剂，经热处理后获得金刚石纳米改性42CrMo钢材。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的金刚石纳米粉的粒径为200-500纳米。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：烷基苯磺酸钠的添加重量为金刚石纳米粉重量的1-8‰，甘油硬脂酸酯的添加重量为金刚石纳米粉重量的1-3‰。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的热处理为梯度升温至1000-1500℃后进行保温。

8.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于：在所述的纳米金刚石改性步骤之前，设有：

吹砂处理步骤：利用高速砂流的冲击作用清理和硬化42CrMo钢材基体的表面；和

化学清洗步骤：采用化学药剂清理吹砂处理后的42CrMo钢材基体表面的油污、杂物。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材或根据权利要求4至8中任一项所述的方法制备得到的金刚石纳米改性42CrMo钢材在传动设备中的应用。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的金刚石纳米改性42CrMo钢材或根据权利要求4至8中任一项所述的方法制备得到的金刚石纳米改性42CrMo钢材在矿山设备中的应用。