CN108500258B - 一种高性能碳钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能碳钢的制备方法，(1)将铁基粉末与高纯石墨球同时加入三维振动混粉机进行三维振动混粉，振动频率为10～80Hz，振动时间为10min～10h；(2)将三维振动混粉后的粉体进行放电等离子体活化及致密化烧结，烧结温度为1150～1300℃，升温速率为20～200℃/min，烧结压力为10MPa～50MPa，保温时间为5～120min；完成高性能碳钢的制备；采用本发明制备的碳钢内部晶粒呈现出独特的铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)型结构,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物FeχC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构，使得材料的力学性能、电学性能及热学性能大幅度提高。
Description
技术领域
本发明属于结构材料制备技术领域，具体涉及一种高性能碳钢的制备方法。
背景技术
碳钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。碳钢的产量在各国钢总产量中的比重约保持在80％左右，它不仅被广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业，在近代的石油化学工业、海洋开发等层面也得到大量应用。世界各工业国家在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳钢的质量，扩大其品种和使用范围。碳钢大都采用氧气转炉和平炉冶炼，优质碳钢也采用电弧炉生产，其性能主要取决于钢的含碳量和显微组织，在冶炼和轧制加工过程中，会产生结疤、裂纹、缩孔残余以及碳分布不均匀等缺陷。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高性能碳钢的制备方法，将用于制备高性能碳钢的铁基粉末与高纯石墨球一起加入三维振动混粉机，通过三维振动混粉使待包覆铁基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的少层石墨均匀包覆在铁基粉末上，然后对粉体进行放电等离子体活化及致密化烧结，制备的碳钢内部晶粒呈现出独特的铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)型结构,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物FeχC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构，使得制备的碳钢机械性能得到大大提高，为生产新型高性能碳钢提供了一种简单有效的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高性能碳钢的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：
①称取质量为m的铁基粉末与高纯石墨球加入三维振动混粉机，利用三维振动混粉机机对铁基粉末与高纯石墨球的混合物进行三维振动混粉，通过三维振动混粉使待包覆铁基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的少层石墨均匀包覆在铁基粉末上；铁基粉末与高纯石墨球的初始加入量之比为0.1:1～10:1，振动频率为10～80Hz，振动时间为10min～10h；
②振动混粉结束后，将高纯石墨球取出，称量高纯石墨球的质量，通过控制三维振动混粉的振动频率和振动时间来控制高纯石墨加入量m0；
步骤2：
将三维振动混粉后的粉体加入到模具中，置入放电等离子体活化烧结炉中进行放电等离子体活化及致密化烧结，烧结温度为1150～1300℃，升温速率为20～200℃/min，烧结压力为10～50MPa，保温时间为5～120min，炉冷至室温即得到高性能碳钢，高性能碳钢内部晶粒为独特的铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)型结构，从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物FeχC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构。
优选地，所述铁基粉末为铁粉末或铁合金粉末。
优选地，所述的石墨加入量m0使得碳钢中的含碳质量为0.0218％～2.11％。
优选地，三维振动混粉在大气中进行或在真空进行或在保护气氛下进行。
优选地，放电等离子体活化烧结及致密化烧结在真空进行或在保护气氛下进行。
三维振动混粉过程中不添加任何助剂，以保持生成的石墨烯的活性，并避免剥离的单层石墨烯或少层石墨烯与包覆粉体铁基粉末界面间的污染。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用无助剂的三维振动混粉工艺，使用于制备高性能碳钢的铁基粉末与石墨球间形成摩擦与剪切力，对石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的少层石墨均匀包覆在铁基粉末上，形成单元增强体的前驱体；对三维振动混粉后的复合粉末进行放电等离子体活化及致密化烧结，制备的碳钢内部晶粒呈现出独特的铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)型结构,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物FeχC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构，可实现低成本、宏量制备具有三维空间网络铁碳化合物增强体的高性能新型碳钢的制备。
附图说明
图1为本发明制备的高性能碳钢块体图。
图2为本发明制备的高性能碳钢的SEM显微照片。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的制备方法做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
1)为制备高性能碳钢，分别称取铁粉(纯度≥98％)25.0g和高纯石墨球8.6g备用；
2)将1)中称好的铁粉和高纯石墨球置于RM-05型Rocking Mill三维振动混粉机中进行三维振动混粉，振动频率为35Hz，振动时间为15min；
3)将2)中高纯石墨球取出后称重为8.36g，加入到铁粉中的高纯石墨为0.240g；
4)将三维振动处理后的粉体取出后加入到模具中，置入SL-SPS-325S放电等离子体活化烧结炉中进行真空烧结，真空度为3.5Pa，烧结压力为30MPa，烧结温度为1300℃，升温速率为100℃/min，保温时间为5min，保温结束后，炉冷至室温；
5)将炉冷至室温的块体取出，即得到高性能碳钢。
图1为本实施例制备的高性能碳钢块体图；
图2为本实施例制备的高性能碳钢的SEM显微照片。从图中可以看出晶粒边缘具有一层厚度约为0.5μm的铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)，且铁碳化合物FeχC(χ＝1～3)相互连接形成三维空间网络结构。
实施例2
1)为制备高性能合金碳钢，分别称取Fe30A粉末30.0g和高纯石墨球20.0g备用；
2)将1)中称好的Fe30A粉末和高纯石墨球置于RM-05型Rocking Mill三维振动混粉机中进行三维振动混粉，振动频率为35Hz，振动时间为600min；
3)将2)中高纯石墨球取出后称重为19.45g，加入到Fe30A粉末中的高纯石墨为0.55g；
4)将三维振动处理后的粉体取出后加入到模具中，置入SL-SPS-325S放电等离子体活化烧结炉中进行真空烧结，真空度为3.5Pa，烧结压力为45MPa，烧结温度为1200℃，升温速率为100℃/min，保温时间为5min，保温结束后，炉冷至室温；
5)将炉冷至室温的块体取出，即得到高性能合金碳钢。
Claims (5)
1.一种高性能碳钢的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：
①称取质量为m的铁基粉末与高纯石墨球加入三维振动混粉机，利用三维振动混粉机对铁基粉末与高纯石墨球的混合物进行三维振动混粉，通过三维振动混粉使待包覆铁基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的单层石墨烯或少层石墨烯均匀包覆在铁基粉末上；铁基粉末与高纯石墨球的初始加入量之比为0.1:1~10:1，振动频率为10~80Hz，振动时间为10min~10h；
②振动混粉结束后，将高纯石墨球取出，称量高纯石墨球的质量，通过控制三维振动混粉的振动频率和振动时间来控制获得的石墨烯量m0；
步骤2：
将三维振动混粉后的粉体加入到模具中，置入放电等离子体活化烧结炉中进行放电等离子体活化及致密化烧结，烧结温度为1150~1300℃，升温速率为20~200℃/min，烧结压力为10~50MPa，保温时间为5~120min，炉冷至室温即得到高性能碳钢；
制备的碳钢内部晶粒呈现出铁碳化合物FeχC型结构，其中χ=1~3,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物FeχC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构；
三维振动混粉过程中不添加任何助剂，以保持生成的石墨烯的活性，并避免剥离的单层石墨烯或少层石墨烯与铁基粉末界面间的污染。
2.根据权利要求1所述的一种高性能碳钢的制备方法，其特征在于：所述铁基粉末为铁粉末或铁合金粉末。
3.根据权利要求1所述的一种高性能碳钢的制备方法，其特征在于：三维振动混粉后的石墨烯量m0使得碳钢中的含碳质量为0.0218%~2.11%。
4.根据权利要求1所述的一种高性能碳钢的制备方法，其特征在于：三维振动混粉在大气中进行或在真空进行或在保护气氛下进行。
5.根据权利要求1所述的一种高性能碳钢的制备方法，其特征在于：放电等离子体活化及致密化烧结在真空进行或在保护气氛下进行。
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