CN107686950A - 一种石墨烯铁合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.5‑0.9%、Si 0.5‑0.6%、Co 1.0‑2.3%、Mg 0.6‑0.9%、Sb 0.6‑1.0%、Ce 0.3‑0.5%、Sm 0.1‑0.3%、V 0.3‑0.8%、Re 0.3‑0.5%、Zr 0.2‑0.5%、Cr 0.6‑0.9%、Ta 0.2‑0.5%、Sr 0.1‑0.3%、石墨烯 0.8‑4.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的合金通过选择合适的金属元素、含量及工艺条件，其抗拉强度、断裂强度、冲击韧性、弹性模量等均得到提高。

Description

一种石墨烯铁合金
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种石墨烯铁合金。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料。石墨烯具有优异的力学、电学、热学性能，其抗拉强度和弹性模量高。由于石墨烯独特的物理和化学性能，使其在许多领域具有强大的潜在用途，如超强的力学性能可以作为增强相添加到聚合物、陶瓷、金属等基体中以制备高性能复合材料。利用石墨烯的高强度，将其与金属材料复合，是目前研究的热点。
中国专利CN104388814A公开了一种石墨烯改性钢，其碳含量在0.6-2.3%，至少部分碳元素是以石墨烯的形式存在。该高碳钢不仅具有高的强度，而且有很好的韧性。
中国专利CN102965590A公开了一种改性硬质合金，由以下重量份的组分制备完成：石墨烯：0.1-0.8份，碳粉：0.2-0.5份，Si：0.1-0.3份，Ti：0.1-0.8份，P：0-0.01份，Cr：1-2份，Ni：3-8份，Mo：0.5-2份，Fe：100-200份。该硬质合金的硬度高，制备方法简单，适于工业化生产。
中国专利CN103361565A公开了一种粉末冶金法兰及其制备方法，由下列重量份的原料制成：铁粉95-99、铬粉 1.2-1.4、石墨粉 1.2-1.4、硬酯酸锌 2.4-2.6、硬酯酸 2-2.4、Mo 0.2-0.3、V 0.9-1.2、Ta 0.04-0.06、Zn 0.8-1.2、Ni 0.5-0.55、二硼化铌 0.35-0.45、四氧化三铁 1.2-1.4、石墨烯 0.24-0.36、分散剂 2-3。根据需要的不同，对材料的组成进行调整，生产的法兰其抗拉强度、气密性高，组织结构均匀，广泛适应于各环境。
发明内容
本发明的目的就是为了得到一种性能优良的石墨烯铁合金。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.5-0.9%、Si 0.5-0.6%、Co1.0-2.3%、Mg 0.6-0.9%、Sb 0.6-1.0%、Ce 0.3-0.5%、Sm 0.1-0.3%、V 0.3-0.8%、Re 0.3-0.5%、Zr 0.2-0.5%、Cr 0.6-0.9%、Ta 0.2-0.5%、Sr 0.1-0.3%、石墨烯 0.8-4.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.8%、Si 0.5%、Co1.3%、Mg 0.8%、Sb 0.8%、Ce 0.4%、Sm 0.2%、V 0.5%、Re 0.4%、Zr 0.3%、Cr 0.7%、Ta 0.3%、Sr 0.2%、石墨烯 2.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述的石墨烯铁合金的制备方法，步骤如下：
（1）在真空条件下，将满足质量百分数为：C 0.5-0.9%、Si 0.5-0.6%、Co 1.0-2.3%、Mg0.6-0.9%、Sb 0.6-1.0%、Ce 0.3-0.5%、Sm 0.1-0.3%、V 0.3-0.8%、Re 0.3-0.5%、Zr 0.2-0.5%、Cr 0.6-0.9%、Ta 0.2-0.5%、Sr 0.1-0.3%、石墨烯 0.8-4.0%，余量为Fe及不可避免的杂质的各组分加入装有丙酮的烧杯中，在超声波条件下搅拌0.5-1.5h，超声波功率为130-200W，频率为50-70Hz；
（2）加热至60-120℃，使烧杯中的丙酮挥发，并将其排除，得到处理后的合金原料；
（3）将上述处理后的合金原料加入真空电弧炉中，充入惰性气体，以10-50℃/h的升温速率加热至1000-1200℃使合金原料熔化，熔化后再保温精炼20-150min；
（4）以20-60℃/h的冷却速率冷却至室温，再加入到回火炉中，以20-50℃/h的速率加热至500-600℃，保温3-5h后出炉，自然冷却至室温，即得到石墨烯铁合金。
本发明的合金通过选择合适的金属元素以及含量，在制备方法中通过丙酮、超声波处理、熔炼、冷却、回火等工艺得到了性能优异的石墨烯铁合金。其抗拉强度为1620-1660MPa，断裂强度为530-550MPa，冲击韧性为74-78J/cm2，弹性模量为218-225GPa。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.5%、Si 0.6%、Co 1.0%、Mg0.9%、Sb 0.6%、Ce 0.5%、Sm 0.1%、V 0.8%、Re 0.3%、Zr 0.5%、Cr 0.6%、Ta 0.2%、Sr 0.1%、石墨烯 4.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例2
一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.9%、Si 0.5%、Co 2.3%、Mg0.6%、Sb 1.0%、Ce 0.3%、Sm 0.3%、V 0.3%、Re 0.5%、Zr 0.2%、Cr 0.9%、Ta 0.2%、Sr 0.3%、石墨烯 0.8%，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例3
一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.8%、Si 0.5%、Co 1.3%、Mg0.8%、Sb 0.8%、Ce 0.4%、Sm 0.2%、V 0.5%、Re 0.4%、Zr 0.3%、Cr 0.7%、Ta 0.3%、Sr 0.2%、石墨烯 2.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例4
一种石墨烯铁合金，该合金中各组分的质量百分数为：C 0.8%、Si 0.6%、Co 1.8%、Mg0.7%、Sb 0.9%、Ce 0.4%、Sm 0.1%、V 0.6%、Re 0.5%、Zr 0.3%、Cr 0.8%、Ta 0.4%、Sr 0.2%、石墨烯 3.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例5
一种石墨烯铁合金的制备方法，步骤如下：
（1）在真空条件下，将满足质量百分数为：C 0.8%、Si 0.5%、Co 1.3%、Mg 0.8%、Sb0.8%、Ce 0.4%、Sm 0.2%、V 0.5%、Re 0.4%、Zr 0.3%、Cr 0.7%、Ta 0.3%、Sr 0.2%、石墨烯2.0%，余量为Fe及不可避免的杂质的各组分加入装有丙酮的烧杯中，在超声波条件下搅拌0.6h，超声波功率为150W，频率为50Hz；
（2）加热至80℃，使烧杯中的丙酮挥发，并将其排除，得到处理后的合金原料；
（3）将上述处理后的合金原料加入真空电弧炉中，充入惰性气体，以30℃/h的升温速率加热至1100℃使合金原料熔化，熔化后再保温精炼70min；
（4）以40℃/h的冷却速率冷却至室温，再加入到回火炉中，以30℃/h的速率加热至550℃，保温4h后出炉，自然冷却至室温，即得到石墨烯铁合金。
该石墨烯铁合金的抗拉强度为1658MPa，断裂强度为546MPa，冲击韧性为78J/cm2，弹性模量为225GPa。
实施例6
一种石墨烯铁合金的制备方法，步骤如下：
（1）在真空条件下，将满足质量百分数为：C 0.8%、Si 0.6%、Co 1.8%、Mg 0.7%、Sb0.9%、Ce 0.4%、Sm 0.1%、V 0.6%、Re 0.5%、Zr 0.3%、Cr 0.8%、Ta 0.4%、Sr 0.2%、石墨烯3.0%，余量为Fe及不可避免的杂质的各组分加入装有丙酮的烧杯中，在超声波条件下搅拌1.5h，超声波功率为200W，频率为70Hz；
（2）加热至120℃，使烧杯中的丙酮挥发，并将其排除，得到处理后的合金原料；
（3）将上述处理后的合金原料加入真空电弧炉中，充入惰性气体，以20℃/h的升温速率加热至1200℃使合金原料熔化，熔化后再保温精炼80min；
（4）以45℃/h的冷却速率冷却至室温，再加入到回火炉中，以35℃/h的速率加热至600℃，保温5h后出炉，自然冷却至室温，即得到石墨烯铁合金。
该石墨烯铁合金的抗拉强度为1650MPa，断裂强度为545MPa，冲击韧性为77J/cm2，弹性模量为223GPa。

Claims (2)

1.一种石墨烯铁合金，其特征在于：该合金中各组分的质量百分数为：C 0.5-0.9%、Si0.5-0.6%、Co 1.0-2.3%、Mg 0.6-0.9%、Sb 0.6-1.0%、Ce 0.3-0.5%、Sm 0.1-0.3%、V 0.3-0.8%、Re 0.3-0.5%、Zr 0.2-0.5%、Cr 0.6-0.9%、Ta 0.2-0.5%、Sr 0.1-0.3%、石墨烯 0.8-4.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石墨烯铁合金，其特征在于：该合金中各组分的质量百分数为：C0.8%、Si 0.5%、Co 1.3%、Mg 0.8%、Sb 0.8%、Ce 0.4%、Sm 0.2%、V 0.5%、Re 0.4%、Zr 0.3%、Cr 0.7%、Ta 0.3%、Sr 0.2%、石墨烯 2.0%，余量为Fe及不可避免的杂质。
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