一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方、制备方法和具有该表层组织的钢材组成比例

一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，包括组分A，所述的组分A由纳米或者纳微米尺度的金刚石、碳纳米管、石墨烯和富勒烯中的至少一种成分组成。通过纳米、纳微米碳材料对钢铁或者钢铁制品表层进行多元热扩散和热处理，实现材料的渗入和表层颗粒增强连续梯度超细晶组织的重构，钢铁或钢铁制品的表层、深表层为具有超高机械物理性能的纳米碳材料增强的连续梯度超细晶粒组织。本发明专利技术以纳米、纳微米碳材料互为主分散剂和促渗剂，通过机械、化学法解团聚，将修饰过的纳米、纳微米碳材料与其他分散剂、促渗剂的混合物敷于钢铁或钢铁制品的表面在真空或绝氧条件下扩散若干小时实现组分向钢铁基体内的高强度多元热扩散。

Formulation, preparation method and steel with superfine grain surface structure reinforced by nano-and nano-micron carbon materials

A formulation of nano-and nano-micron carbon materials to enhance the surface structure of ultrafine grains includes component A, which consists of at least one component of nano or nano-micron diamond, carbon nanotubes, graphene and fullerenes. The surface layer of steel or steel products is treated by multi-thermal diffusion and heat treatment of nano-and nano-micron carbon materials. The infiltration of materials and the reconstruction of continuous gradient ultrafine grain structure enhanced by surface particles are realized. The surface and deep surface of steel or steel products are enhanced by nano-carbon materials with ultra-high mechanical properties. The present invention uses nano and nano-micron carbon materials as main dispersants and penetration enhancers. The modified nano and nano-micron carbon materials are deagglomerated by mechanical and chemical methods, and the mixture of the modified nano and nano-micron carbon materials and other dispersants and penetration enhancers is applied on the surface of steel or steel products to diffuse for several hours under vacuum or oxygen-insulated conditions to realize high-strength multicomponent thermal diffusion into the steel matrix.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方、制备方法和具有该表层组织的钢材
本专利技术涉及一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方、制备方法和具有该表层组织的钢材。
技术介绍
钢铁材料历来都是战略基础材料，能使钢铁材料性能大幅度、较大幅度提升的任何技术专利技术都将推动世界200多种钢铁材料性能的提高和各类机械装备性能的提升以及机械行业整体技术进步。钢铁型材和钢铁机械零件的表面和表层的性能在实际工程应用中具有特殊意义，例如齿轮、轴承、弹簧、机械密封、机械基础件、耐磨板、耐磨管的性能主要体现在其表层的机械物理性能，因此研发新的钢铁型材和钢铁机械零件表层、表面改性技术一直是各国材料专家孜孜不倦的努力方向。从科学原理到工业实践证实：细晶、超细晶是同时大幅度提升钢铁材料强度、硬度和塑性、韧性的核心技术途径，因此，研发新的钢铁材料和钢铁机械零件表层、深表层超细晶化技术是专利技术技术方向的正确定位。现有技术如下几种:⑴以超细晶为技术核心的超级钢技术①由于细晶强化是公认的唯一在大幅度提高钢铁材料强度的同时也能提高韧性的技术手段，故细晶强化便成为世界超级钢计划的核心技术，成了衡量超级钢性能和一个国家高性能超级钢的研发生产水平的重要技术指标。1977年始于日本，后美国、欧洲、韩国和中国（973计划）都先后参与了的“超级钢计划”主要围绕钢的超细晶化展开。为达钢铁材料强度、寿命均提高一倍以上的目标，按超细晶粒钢发展进程和达到的晶粒尺寸，超级钢的发展可分为两个主要阶段：一是以控轧控冷为技术途径的TMCP（Thermal-MechanicalControlProcess）钢阶段,晶粒尺寸达几微米（如5微米），实际生产中晶粒尺寸在10-50微米之间，而传统所谓细晶粒钢的晶粒尺寸为小于100微米。第二阶段是以钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征,强度比常用钢材提高一倍,钢材使用寿命增加一倍，晶粒尺寸在0.1～10微米之间的高性能钢。在钢的化学成分-工艺-组织-性能的关系中,更突出了组织的主导地位,即其超细晶粒微观组织所表现所决定的优异的综合性能。②过往实现超细晶粒的主要技术手段成分设计：低碳、微合金化。普通低碳在C-Mn钢中加强碳化物形成元素（Nb、V、Ti、N等）；提高冶炼技术，炉外冶炼、控制夹杂、提高洁净度即减少S、P、N、O和H等元素的含量；控轧控冷：大变形，控轧、控冷、TMCP、复合TMCP法等。③强化机制：细晶强化、第二相强化、变形强化、位错强化、析出相强化。世界主要钢铁生产大国、强国在研发高性能超级钢的过程中，技术途径有别，但要攻克的目标----细晶、超细晶化却高度一致。因为，细晶强化效果远高于其他强化机制，且是唯一同时提高强度和韧性的技术途径。本专利技术同样瞄准超细晶化构建专利技术的技术途径，攻克目标正确。“超级钢”制备生产技术不能实现钢铁材料表层改性，不是表层改性意义上的梯度材料，且表层并不具有超高机械、物理性能。“超级钢”生产成本较高、型材轧制种类、形状受限。“超级钢”技术适合高性能板材制造，而本专利技术适于大部分钢铁型材和钢铁机械零件的表层性能的大幅度提高。⑵金属复合材料技术①有色金属基复合材料制备技术以金属为基体并以纤维、晶须、颗粒为增强体的金属复合材料，特别是色金属基复合材料凭借其结构轻量化和优异的耐磨性、热学和电学性能在过去的20多年里，发展较快，并在交通运输、电子/热控、航天航空、机械制造、工具制造领域得到了一定应用。主要制造工艺技术有：①固态法：粉末冶金、热压、热等静压、变形压力加工、爆炸焊接；②液态法：液态金属浸渍、搅拌铸造、共喷沉积；③原位自生成；④表面复合：气相沉积、喷涂、复合镀、高能束复合熔覆。②钢铁基复合材料制备技术由于技术难度大，钢铁基复合材料发展缓慢，尤其是纳米复合组织结构的钢铁基复合材料。目前采用的颗粒增强钢铁基复合材料制备工艺技术包括：①固态法的粉末冶金；②液态工艺的原位复合、铸渗（负压、无压、气压）、离心铸造；半固态的搅拌铸造和流变铸造。除粉末冶金、搅拌铸造和原位生产技术外，其他金属复合材料大都是在金属基体表层实现复合结构化。其中，用离心铸造法制备的高猛钢基，耐热钢基的WC或Al2O3颗粒增强复合材料制备技术相对成熟些，也有少量应用。强化机理：超硬颗粒增强。技术分析与评价：这些材料几乎都不是纳米复合材料、不是梯度材料，不追求超细晶粒组织的作用和突出增强相纳米特性的作用。极少用或不能用纳米颗粒增强相，纳米、纳微米组织结构更少见。成熟的钢铁基复合材料只有雾化制粉经烧结而成的粉末冶金高速钢（碳化物晶粒2-3微米）以及钢结硬质合金。两种材料性能优异、价格昂贵（70-130万/吨），工艺复杂，性价比低、应用受限，工艺技术与本专利技术完全不同。本专利技术产品的部分技术指标超出上述产品，性价比，应用范围更是无法同本专利技术产品相提并论。⑶表层组织重构的改性强化技术①钢铁机械零件表层渗碳、渗氮、渗金属这类技术包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗钛、渗钒等。制备工艺技术：元素热扩散。强化机制：固溶强化、弥散强化。技术分析与评价：扩散物质必须是原子或离子尺度态，不是原子、离子态的物质必须分解成为原子或离子，扩散才能发生。这与本专利技术的扩散物质为纳米、纳微米晶体材料完全不同。优点：传统技术较成熟、对表层性能有较大提升，是较常用的表层改性技术，不足是扩散层通常较浅，综合力学性能不如本专利。②碳纳米管增强铝基或镁基、铜基复合材料工艺技术：粉末冶金、搅拌铸造、浸渗。强化机理：弥散强化、桥连强化技术分析与评价：开辟了碳纳米管作为有色金属复合材料增强相的先例，提高了基体材料导热性能、强度、硬度和耐磨性。基体必须先制成镁、铝、铜的粉体，粉末冶金法产品价格高。未见碳纳米管增强、基体为钢铁材料的报道。③金刚石/铜基复合材料热压烧结。机理：利用金刚石高导热、金刚石颗粒微切削技术分析与评价：金刚石颗粒首次用于铜基复合材料的制备，充分发挥了增强相高导热以及线涨系数与基体较为接近的特性。已用为高导热热沉材料，未见热压烧结纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料的报道。④金属材料表面纳米化通过(a)表面涂层或沉积、(b)表面自身纳米化、(c)混合方式三种工艺实现低碳钢和有色金属表层纳米化。（a）工艺包括ＣＶＤ电镀和电解沉积等，表层纳米化后晶粒不在长大；（b）工艺指的是指通过表面强烈塑性而逐渐细化成纳米晶，如低碳钢的机械加工和喷丸、抛光等；（c）工艺是指将表面纳米化与化学处理相结合的表面纳米化技术，所得组织呈梯度。技术分析与评价：对金属材料进行表面纳米化处理能够在其表面制备出晶粒为纳米级别的纳米晶层,从而达到通过改性而提高材料某些性能的目的，其中，（a）属于增材制造；（b）(c)为材料表面塑性变形。两者均不是通过纳米碳材料的热扩散，获得的纳米化表层极浅，难以胜任高强度磨损和冲击，实用性差。⑤钢铁基体表层渗纳米金刚石改性近年来出现的表层改性非传统技术。制备方法：纳米金刚石纳米颗粒热扩散强化机制：第二相强化技术分析与评价：首次将纳米金刚石作为钢铁基复合材料的增强相，首次用热扩散的工艺技术实现钢铁基复合材料的备制，这是唯一最接近本申请的现有技术，其不足和问题在于：①没有从创建颗粒增强超细晶粒微观组织这个实现钢铁材料高性能化的核心技术入手专利技术钢铁材料表层改性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：包括组分A，所述的组分A由纳米或者纳微米尺度的金刚石、碳纳米管、石墨烯和富勒烯中的至少一种成分组成。

【技术特征摘要】
1.一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：包括组分A，所述的组分A由纳米或者纳微米尺度的金刚石、碳纳米管、石墨烯和富勒烯中的至少一种成分组成。2.根据权利要求1所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：包括所述的组分A和组分B，所述的组分B由纳米或者纳微米尺度的SiC、Si-Fe、B4C、B-Fe、Al2O3、Cr、Cr-Fe、VC、V-Fe、Ti-Fe、TiC、WC、ZrO2、CBN和RE中的至少一种成分组成。3.根据权利要求1或2所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：还包括组分C，所述的组分C由分散剂、活性剂中至少一种成分组成。4.根据权利要求2所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：所述的组分A所占重量百分比为90~100%，所述的组分B所占重量百分比为0~10%。5.根据权利要求3所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的配方，其特征在于：所述的组分A所占重量比为80~95%，所述的组分B所占重量比为2~8%，所述的组分C所占重量比为1~12%。6.一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的制备方法，其特征在于：将组分A、组分A+组分B中的任一种配方进行混合分散，制备成混合浆料或混合粉体；将混合浆料或混合粉体敷着于工件待渗部位，涂覆后的工件置于真空环境或绝氧环境下加热处理和扩散若干小时，在工件表面形成超细晶粒的连续梯度表层。7.根据权利要求6所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的制备方法，其特征在于：所述的加热处理时间为1-72小时，加热温度为900℃-1400℃，真空度为50Pa-100Pa。8.根据权利要求6所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的制制备方法，其特征在于：所述的制备成混合浆料的方法为：所述的任一种配方中加入分散剂、活性剂，选择性加入乙醇或者基础油，充分混合和分散后制备得到混合浆料。9.根据权利要求6所述的一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的制备方法，其特征在于：所述的制备成混合粉体的方法为：所述的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾春德，段占强，杨树桐，李桂财，
申请(专利权)人：贾春德，
类型：发明
国别省市：广东,44