CN104388814A - 一种石墨烯改性钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高碳钢，其碳含量在0.6-2.3％之间，其中，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，而且具有很好的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及钢材，具体涉及一种石墨烯改性钢。
背景技术
钢是含碳量在0.0218％-2.11％之间的铁碳合金。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。它通常使用在需要强度、硬度和耐磨性的金属零件上，如切削工具、钢缆、钢琴线、弹簧、刀具，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等等，在加工形成后，零件通常需要再经过处理并回火。钢含碳量越高，其加热处理后的硬度、强度和耐磨性也就越高。
钢的硬度、强度主要取决于钢中固溶的碳量，并随固溶碳量的增加而提高。固溶碳量超过0.6％时，淬火后硬度不再增加，只是过剩的碳化物数量增多，钢的耐磨性略有增加，而塑性、韧性和弹性有所降低。我们为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7％，当碳含量超过1.7％后，随着碳含量的继续增加，强度提高，脆性大幅度降低。为此，常根据使用条件和对钢的强度、韧性匹配选用不同型号的钢。例如，制造受力不大的弹簧或簧式零件，可选择较低碳量的65钢。一般钢可用电炉、平炉、氧气转炉生产。要求质量较高或特殊质量时可采用电炉冶炼加真空自耗或电渣重熔。冶熔时，严格控制化学成分，特别是硫和磷的含量。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种石墨烯改性钢，以解决碳含量增高后脆性也相应变大的问题。
根据本发明的石墨烯该型钢，其碳含量在0.6-2.3％之间，其中，至少部分碳元素是以石墨烯的形式存在。
由于引入石墨烯，根据本发明的钢材甚至在碳含量高达1.7％时也可以保持理想的韧性，而且还能继续保持钢的强度。
具体实施方式
本发明中，钢中至少部分的碳是以石墨烯形式提供，例如所含碳的10-90％，优选30-90％。更优选地，不同含碳量的钢材所含石墨烯的比例也有所区别。通常，所引入的石墨烯的量不低于钢材质量的0.1％。当钢材中不含石墨烯碳源时，这种钢材的屈服强度在300-550MPa之间，-40℃低温冲击韧性Akv60J-90J。当钢材中石墨烯占所含碳量的10％以上时，这种钢材的屈服强度在400-600MPa之间，-40℃低温冲击韧性Akv80J-130J。
本发明所使用的石墨烯可以从市场购得，典型的例子是申请人自己生产并销售的石墨烯。中国专利申请第201210367072.0号、第201410308860.1号、第201410398232.7记载了石墨烯的生产方法，其披露的内容以引用形式并入本文。适用于本发明的石墨烯厚度不宜超过2nm，适宜在0.335-2nm之间。更优选为1-3层的石墨烯，其厚度在0.335-1nm之间。石墨烯的层数越低，其提供韧性的效果越佳。
该生产过程是在将钢材制备原料中的非石墨烯碳源去除部分后，绝氧情况下引入石墨烯作为增碳剂。该增碳剂是现有技术所熟知。
实施例1
按照配方生产含碳量为0.6％的高碳钢，其中10％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例2
按照配方生产含碳量为0.6％的高碳钢，其中15％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例3
按照配方生产含碳量为0.6％的高碳钢，其中30％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
比较例1
按照配方生产含碳量为0.6％的高碳钢，其全部为普通碳，以增碳剂石墨粉的形式引入，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例4
按照配方生产含碳量为1.2％的高碳钢，其中20％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例5
按照配方生产含碳量为1.5％的高碳钢，其中30％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例6
按照配方生产含碳量为1.7％的高碳钢，其中40％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
比较例2
按照配方生产含碳量为1.7％的高碳钢，其全部为普通碳，以增碳剂石墨粉的形式引入，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例7
按照配方生产含碳量为2％的高碳钢，其中30％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例8
按照配方生产含碳量为2.1％的高碳钢，其中50％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
实施例9
按照配方生产含碳量为2.3％的高碳钢，其中80％为石墨烯，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
比较例3
按照配方生产含碳量为2.3％的高碳钢，其全部为普通碳，以增碳剂石墨粉的形式引入，其余成分为Si含量0.2％，Mn含量0.5％，P含量0.01％，余量为Fe。
检测上述各实施例和比较例的屈服强度和-40℃低温冲击韧性，列于表1中。
表1 各实施例和比较例样品的性能参数
| 实例 | 屈服强度/MPa | -40℃低温冲击韧性/J |
| 实施例1 | 400 | 120 |
| 实施例2 | 430 | 125 |
| 实施例3 | 432 | 126 |
| 比较例1 | 350 | 100 |
| 实施例4 | 480 | 110 |
| 实施例5 | 520 | 120 |
| 实施例6 | 523 | 122 |
| 比较例2 | 450 | 80 |
| 实施例7 | 550 | 110 |
| 实施例8 | 570 | 125 |
| 实施例9 | 580 | 125 |
| 比较例3 | 500 | 60 |
通过实施例和对比例可以发现，当碳源中没有石墨烯时，屈服强度随着碳含量的增高呈上升趋势，但是-40℃低温冲击韧性下降；当含碳量0.6％-1％之间时，随着石墨烯加入量的增大，屈服强度逐渐增大，韧性也增强，当石墨烯加入量占碳源质量分数15％-20％时，为最佳值，既节省石墨烯用量且再增加效果也没有明显改善；当含碳量1％-1.7％之间时，随着石墨烯加入量的增大，屈服强度逐渐增大，韧性也增强，当石墨烯加入量占碳源质量分数30％-40％时，为最佳值，既节省石墨烯用量且再增加效果也没有明显改善；当含碳量超过1.7％时，随着石墨烯加入量的增大，屈服强度逐渐增大，韧性也增强，当石墨烯加入量占碳源质量分数50％时，为最佳值，既节省石墨烯用量且再增加效果也没有明显改善。
Claims (7)
1.一种石墨烯改性钢，其碳含量在0.6-2.3％之间，其中，至少部分碳元素是以石墨烯的形式存在。
2.权利要求1所述的石墨烯改性钢，其中，石墨烯在所含碳中的比例为30-90％。
3.权利要求1所述的石墨烯改性钢，其中，当钢中碳含量在0.6-1.0％之间，石墨烯在所含碳中的比例为15-20％。
4.权利要求1所述的高碳钢，其中，当钢中碳含量在1.0-1.7％之间，石墨烯在所含碳中的比例为30-40％。
5.权利要求1所述的高碳钢，其中，当钢中碳含量在1.7-2.3％之间，石墨烯在所含碳中的比例为50％。
6.权利要求1至5任一项所述的高碳钢，其中，所述石墨烯的厚度为0.335-2.0纳米。
7.权利要求1至5任一项所述高碳钢的生产方法，其特征在于，熔化炼钢原料，脱碳后，绝氧情况下，加入石墨烯。
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