制备碳纳米管增强高强钢复合件的合金粉末和制备方法技术

本发明专利技术涉及一种制备碳纳米管增强高强钢复合件的合金粉末和制备方法，其中制备方法包括以下步骤：S1、将碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理；S2、向高强钢合金粉末中加入干燥后的碳纳米管，并添加过程控制剂进行球磨，然后洗涤过滤得到复合粉体；S3、将复合粉体与粘结剂密炼造粒制得喂料，并于注射机中注射成型，制得生坯；S4、将生坯在硝酸或草酸催化脱脂炉中进行脱脂，获得脱脂坯；S5、将脱脂坯在单体炉中烧结制得烧结体；S6、将烧结体在真空炉中进行热处理制得复合件。本发明专利技术能够有效解决碳纳米管因具有很大的长径比、比表面积和比表面能，从而存在很大的范德华力，容易聚集缠结，很难在金属基体中均匀分散的问题。匀分散的问题。匀分散的问题。

【技术实现步骤摘要】
制备碳纳米管增强高强钢复合件的合金粉末和制备方法


[0001]本专利技术涉及高强钢材料制备领域，特别涉及制备碳纳米管增强高强钢复合件的合金粉末和制备方法。

技术介绍

[0002]随着消费电子行业的快速发展，采用高强钢搭配金属粉末注射成型技术制备折叠屏手机转轴、支架、壳体、凸轮等电子产品零件已经获得了广泛的应用。高强钢由于其超高的强度、良好的塑性、优良的综合性能已经进入材料飞速发展的阶段。目前对于高强钢的开发包括调整元素成分，开发高Ni合金，以及加入Cr、Co、Mo、Nb等元素开发多元合金，均获得了较大的进展。中国专利公开号CN 114480943A，名称为“一种超低碳低钴马氏体钢及其制备方法”制备了抗拉强度＞2000MPa，延伸率＞5％的超低碳低钴马氏体粉末冶金用钢。上述专利在制备工艺过程中分别添加了深冷热处理工艺和热等静压工艺，对于高强钢只采用“固溶+时效”工艺获得屈服强度超过2000MPa的合金钢暂未有报道。
[0003]碳纳米管(Carbon Nanotubes，简称CNTs)自发现以来，就以特殊的力学、热学、磁学和电学性能，使其在纳米电子、精密机械、医疗器件等诸多领域展现出了良好的应用前景。碳纳米管的抗拉强度可达50～200GP，是钢的100多倍，密度仅为1.35g/cm3，弹性模量高达1TPa，约为钢的5倍，被认为是最具前景的陶瓷、聚合物以及金属基复合材料的理想增强体。但是在增强金属基复合材料方面还存在许多困难。最主要的困难在于碳纳米管具有很大的长径比、比表面积和比表面能，存在很大的范德华力，容易聚集缠结，很难在金属基体中均匀分散。另一方面，碳纳米管的表面活性较低，与金属基体的润湿性差，造成了其与金属基体之间的界面结合较差。这些因素会严重影响金属基复合材料的密度，及其力学、电学、摩擦磨损等性能。
[0004]因此，目前对碳纳米管先进行表面改性处理、或者采用聚合物包覆金属基材后吸附碳纳米管，或者将合金粉末制备微纳米片后再与碳纳米管复合球磨、或者采用致密化加工成型等方式，均成为改善碳纳米管与金属基材界面结合的重要手段。上述方法所得碳纳米管分散性较好，与基材界面结合优良，但是流程较为复杂，对于批量生产时控制成本方面并不理想。因此本申请考虑采用球磨工艺，通过球磨机的转动，利用运动球的剪切作用，达到分散碳纳米管并改善与金属基材界面结合的效果。
[0005]在碳纳米管内,由于电子的量子限域所致,电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动,因此碳纳米管表现出独特的电学性能，所以目前关于利用碳纳米管增强铜基金属导电性能的报道较多。而对于铁基材料的报道较少，只存在少量应用于铁基材料磁性能的研究。碳纳米管和铁制备的复合纳米磁性材料，可以在磁场的作用下实现碳纳米管的定向排列，极大的提高材料的磁敏感性，从而实现在吸波材料，废水处理，以及传感器研发等多个领域的广泛应用。然而碳纳米管在铁基高强合金材料领域，着力于对材料的高强度、高硬度等机械性能的提升方向暂无应用。
[0006]目前碳纳米管增强铁基材料的应用难度，主要仍是碳纳米管与铁基界面的结合强
度不足。无论是采用表面活化法，添加活性剂使表面产生高分子的链团和官能团来提高界面相容性，还是采用化学修饰法使表面产生超共轭π电子体系来提高化学活性，都是为了提升碳纳米管与铁基基材的界面润湿与结合能力，从而促进碳纳米管在铁基中的均匀分布，但是实际制备中效果依然不是特别理想。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，该方法能够有效解决碳纳米管因具有很大的长径比、比表面积和比表面能，从而存在很大的范德华力，容易聚集缠结，很难在金属基体中均匀分散的问题。
[0008]实现本专利技术第一个目的的技术方案是：本专利技术中制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理；
[0010]S2、向高强钢合金粉末中加入干燥后的碳纳米管，并添加过程控制剂进行球磨，制得球磨产物，将球磨产物去除，干燥，随后过滤，得到复合粉体；
[0011]S3、将复合粉体与粘结剂密炼造粒制得喂料，并于注射机中注射成型，制得生坯；
[0012]S4、将生坯在硝酸或草酸催化脱脂炉中进行脱脂，获得脱脂坯；
[0013]S5、将脱脂坯在单体炉中烧结制得烧结体；
[0014]S6、将烧结体于真空炉中进行热处理制得复合件。
[0015]球磨过程中碳纳米管受到的撞击使得碳纳米管少量破碎并嵌入金属基体中，后续烧结时更容易使得碳纳米管在基体中均匀分布。
[0016]进一步，上述复合粉体的质量百分比为：碳纳米管0.5％～5％，高强钢合金粉0.5％～5％，高强钢合金粉93～98.5％，过程控制剂1％～2％。
[0017]其中复合粉体中过程控制剂做为粉体的一部分，是因为它在粉体中占了一部分的质量比例，但是它的添加对后续制备工艺没有其他影响，烧结过程会和粘结剂一起燃烧挥发。过程控制剂的主要作用是防止球磨过程粉末的团聚及与罐壁的粘着。
[0018]进一步，上述高强钢合金粉末按照质量百分比具有：C＜0.1％，Cr：7～12％，Ni：6～11％，Mo：5～10％，Co：8～13％，Nb：≤0.5％，其余为Fe；所述高强合金粉末的颗粒平均粒径为15μm～25μm。
[0019]本专利技术未曾添加其他微量合金元素，既可以降低成本，同时对于原材料高强合金粉末的雾化制粉等制备流程也更加简单，更容易保证原材料的稳定性。只采用基体金属元素来配置高强合金粉末，增大了工艺可行性，也有利于制备产品，更具有市场优势。
[0020]高强合金粉末的颗粒平均粒径范围区间较短，第一个目的是为了保证复合粉体的均匀性，粒径均匀的原材料有利于制备复合粉体的稳定性。第二个目的是虽然单壁和多壁碳纳米管都可以生长，但是他们的常规长度范围是1～30μm。我们尽量取高强合金粉末粒径与碳纳米管相近的长度是为了组织形貌的均一性。促进球磨过程中，两者能更好的混合。
[0021]进一步，上述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的任意一种及两种以上的组合；长径比＞100，管径为0.4nm～100nm。
[0022]单壁碳纳米管的机械性能是优于多壁碳纳米管的，单壁碳纳米管的抗拉强度可超过100Gpa，多壁碳纳米管的抗拉强度多为50～100GPa。因为多壁碳纳米管是层层结构，管壁
上易形成陷阱的中心，捕获一些缺陷。但也正是因为这一特点，使得球磨过程中，部分断裂的多壁碳纳米管的管壁上易形成活泼缺陷位，产生更多的开口，更易吸引合金原子在此处聚集，增强了球磨过程中碳纳米管与金属粒子的结合程度。所以采用单壁与多壁碳纳米管结合的优势，既能确保机械性能较高，又能促进球磨过程高强合金粉与碳纳米管的结合。
[0023]单壁碳纳米管的长径比可高达10000，多壁碳纳米管的长径比通常为50～4000。高的长径比是使得碳纳米管具有优异的机械性能的主要原因。球磨过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理；S2、向高强钢合金粉末中加入干燥后的碳纳米管，并添加过程控制剂进行球磨，制得球磨产物，将球磨产物去除，干燥，随后过滤，得到复合粉体；S3、将复合粉体与粘结剂密炼造粒制得喂料，并于注射机中注射成型，制得生坯；S4、将生坯在硝酸或草酸催化脱脂炉中进行脱脂，获得脱脂坯；S5、将脱脂坯在单体炉中烧结制得烧结体；S6、将烧结体于真空炉中进行热处理制得复合件。2.根据权利要求1所述的制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，其特征在于：所述复合粉体的质量百分比为：碳纳米管0.5％～5％，0.5％～5％，高强钢合金粉93～98.5％，过程控制剂1％～2％。3.根据权利要求1所述的制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，其特征在于：所述高强钢合金粉末按照质量百分比具有：C＜0.1％，Cr：7～12％，Ni：6～11％，Mo：5～10％，Co：8～13％，Nb：≤0.5％，其余为Fe；所述高强合金粉末的颗粒平均粒径为15μm～25μm。4.根据权利要求1或2或3所述的制备碳纳米管增强高强钢复合件的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏绍华，杨晶晶，周文杰，邬均文，王明喜，
申请(专利权)人：江苏精研动力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：