CN110373597B - 石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料，其特征在于，具体参数按质量百分比计的组分及其含量为：石墨烯与铁基材料的质量比为0.1～0.5％，其中，铁基材料按质量百分比计的组分及其含量为：石墨粉0.5％，磷≤0.02％，硫≤0.02％，锰≤0.15，硅≤0.05％，其余为铁。本发明的另一个技术方案是提供了一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法。与现有技术相比，石墨烯的密度是其他增强物质(铜、镍等)密度的1/10～1/15，在提高铁基粉末冶金材料强度和韧性的同时，可以显著降低铁基粉末冶金零件的重要，为汽车用铁基零件的轻量化制造提供一种有效的工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及属于粉末材料制备技术领域，特别地是提供了一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法。
背景技术
汽车轻量化是降低能耗，减少排放最有效的措施之一。同时，汽车轻量化还有利于改善汽车的动力性、制动性和操作稳定性，为新能源汽车综合性能提升奠定了硬件基础。汽车轻量化可以通过轻量化材料、轻量化结构和轻量化制造技术实现，其中轻量化材料是汽车轻量化技术中最广泛的应用技术。铁基粉末材料是汽车零件用粉末冶金材料使用最广泛的粉末材料。在粉末零件制备过程中，为了进一步增强零件的服役性能，通常会在铁基粉末材料中添加其他金属元素，以提高零件的硬度和韧性。目前的汽车零部件厂商主要是通过添加铜、镍和钼等金属元素，提高零件的强度、硬度和韧性。这些金属元素的添加，在零件性能提升方面获得了显著效果，但是由于所添加物质的密度均大于基体材料铁，因此，高性能轻量化零件的技术开发需求尤为迫切。
石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，除具有十分良好的导电、导热性能外，还具有极高的弹性模量(0.5～1TPa)、抗拉强度(130GPa)、韧性和减摩性，是结构材料最为理想的增强体。
发明内容
本发明的目的是：大幅度提升铁基粉末冶金材料的强度与断裂韧性，同时实现轻量化的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料，其特征在于，采用低密度、高性能的石墨烯作为增强体，提升汽车用铁基粉末冶金材料的性能，具体参数按质量百分比计的组分及其含量为：石墨烯与铁基材料的质量比为0.1～0.5％，其中，铁基材料按质量百分比计的组分及其含量为：石墨粉0.5％，磷≤0.02％，硫≤0.02％，锰≤0.15，硅≤0.05％，其余为铁。
本发明的另一个技术方案是提供了一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)石墨烯的分散：将石墨烯和酒精混合后，进行超声处理4至6小时；
(2)原料混合：将分散后的石墨烯和铁基材料粉末倒入搅拌式球磨机，按照球料比7：1至10：1的比例，进行球磨混合；
(3)混合料的干燥：将石墨烯和铁基材料粉末的混合料置于真空干燥装置中，进行真空干燥；
(4)混合原料的过筛和预成型：对干燥后的粉末进行过筛，将过筛后的原料粉末在粉末压坯机上进行预成型压制，形成生坯零件；
(5)烧结成型：将预成型后的生坯零件置于真空烧结炉中进行烧结，烧结结束后零件随炉冷却至室温，得到如权利要求1所述的石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料。
优选地，步骤(1)中，所述石墨烯和所述酒精的混合比例为石墨烯:酒精＝1g:1000mL。
优选地，步骤(1)中，所述超声处理的超声频率为40KHz。
优选地，步骤(2)中，所述球磨机的主轴转速为400至500rpm，球磨时间为4至6小时。
优选地，步骤(2)中，所述球磨混合为液态球磨，在混合料中加入的酒精体积不超过球磨罐体积的2/3。
优选地，步骤(3)中，所述真空干燥时的真空度为40至50KPa，时间为8小时。
优选地，步骤(4)中，用120目的筛网对干燥后的粉末进行过筛。
优选地，步骤(5)中，所述烧结过程中，向真空烧结炉内连续通入保护性气体，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min。
与现有技术相比，石墨烯的密度是其他增强物质(铜、镍等)密度的1/10～1/15，在提高铁基粉末冶金材料强度和韧性的同时，可以显著降低铁基粉末冶金零件的重量，为汽车用铁基零件的轻量化制造提供一种有效的工艺方法。
附图说明
图1是未添加石墨烯铁基粉末冶金材料烧结后的表面金相图；
图2是利用本发明的实施例所制备石墨烯增强铁基粉末冶金材料烧结后的表面金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
制备金属粉末质量为100g的石墨烯增强铁基粉末零件，包括以下步骤：
(1)石墨烯的分散：用电子精密天平，称量0.2g的石墨烯粉末，将其置于量杯中，倒入200mL酒精，超声4小时，设置超声波设备的工作频率为40KHz。
(2)铁基粉末与石墨烯的混合：将前述步骤(1)中分散后的200mL石墨烯-酒精溶液倒入球磨罐中，称量100g铁基粉末材料倒入球磨罐。称量700g直径为3mm的不锈钢球倒入球磨罐。另加入200mL酒精，球磨罐中的酒精总体积为400mL(包括石墨烯分散时的酒精)。使得球磨罐内的粉末(重量)：磨球(重量)＝1：7。开启球磨机，设置转速为400rpm，球磨时间为5小时。
(3)混合原料的干燥：将前述步骤(2)中球磨后的原料用40目的滤网进行过滤，用酒精冲洗不锈钢球表面的粘附物。将含有石墨烯、铁基粉末和酒精的混合溶液，进行真空干燥。真空干燥时所选的真空度为40KPa，干燥时间8小时。
(4)混合原料的过筛和预成型：将前述步骤(3)中干燥后的混合原料，用120目的筛网进行过筛。将过筛后的原料粉末，在粉末压坯试验机上进行预成型压制，形成生坯零件。
(5)烧结成型：将前述步骤(4)中预成型后的生坯零件置于网带式烧结炉中进行烧结。烧结过程中，向炉内连续通入保护性气体(氮气和氢气)，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min。烧结结束后，零件随炉冷却至室温。
实施例2
制备金属粉末质量为300g的石墨烯增强铁基粉末零件，包括以下步骤：
(1)石墨烯的分散：用电子精密天平，称量1.5g的石墨烯粉末，将其置于量杯中，倒入600mL酒精，超声6小时，设置超声波设备的工作频率为40KHz。
(2)铁基粉末与石墨烯的混合：将前述步骤(1)中分散后的600mL石墨烯-酒精溶液倒入球磨罐中，称量300g铁基粉末材料倒入球磨罐。称量3000g直径为3mm的不锈钢球倒入球磨罐。使得球磨罐内的粉末(重量)：磨球(重量)：酒精(体积)＝1：10：2。开启球磨机，设置转速为500rpm，球磨时间为6小时。
(3)混合原料的干燥：将前述步骤(2)中球磨后的原料用40目的滤网进行过滤，用酒精冲洗不锈钢球表面的粘附物。将含有石墨烯、铁基粉末和酒精的混合溶液，进行真空干燥。真空干燥时所选的真空度为40KPa，干燥时间8小时。
(4)混合原料的过筛和预成型：将前述步骤(3)中干燥后的混合原料，用120目的筛网进行过筛。将过筛后的原料粉末，在粉末压坯试验机上进行预成型压制，形成生坯零件。
(5)烧结成型：将前述步骤(4)中预成型后的生坯零件置于网带式烧结炉中进行烧结。烧结过程中，向炉内连续通入保护性气体(氮气和氢气)，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min。烧结结束后，零件随炉冷却至室温。
将实施例所制得的铁基粉末零件的力学性能和未添加石墨烯的铁基粉末冶金零件的力学性能对比数据如表1所示。
表1
| 未添加石墨烯的铁基粉末冶金零件 | 实施例1 | |
| 抗拉强度(MPa) | 205.8 | 269.5 |
| 屈服强度(MPa) | 142.0 | 187.2 |
| 冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>) | 6.3 | 10.2 |
从表1可得出，石墨烯增强铁基粉末冶金零件的抗拉强度、屈服强度和冲击韧性均得到显著提高。
Claims (4)
1.一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)石墨烯的分散：将石墨烯和酒精混合后，进行超声处理4至6小时；
(2)原料混合：将分散后的石墨烯和铁基材料粉末倒入搅拌式球磨机，按照球料比7：1至10：1的比例，进行球磨混合；所述球磨混合为液态球磨，在混合料中加入的酒精体积不超过球磨罐体积的2/3；
(3)混合料的干燥：将石墨烯和铁基材料粉末的混合料置于真空干燥装置中，进行真空干燥；真空干燥时的真空度为40至50kPa，时间为8小时；
(4)混合原料的过筛和预成型：对干燥后的粉末进行过筛，用120目的筛网对干燥后的粉末进行过筛，将过筛后的原料粉末在粉末压坯机上进行预成型压制，形成生坯零件；
(5)烧结成型：将预成型后的生坯零件置于真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中，向真空烧结炉内连续通入保护性气体，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min，烧结结束后零件随炉冷却至室温，得到石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料，该石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料具体参数按质量百分比计的组分及其含量为：石墨烯与铁基材料的质量比为0.1～0.5％，其中，铁基材料按质量百分比计的组分及其含量为：石墨粉0.5％，磷≤0.02％，硫≤0.02％，锰≤0.15，硅≤0.05％，其余为铁。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨烯和所述酒精的混合比例为石墨烯:酒精＝1g:1000mL。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述超声处理的超声频率为40kHz。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯增强高性能轻量化汽车用铁基粉末冶金材料制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述球磨机的主轴转速为400至500rpm，球磨时间为4至6小时。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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