一种石墨烯改性钢的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种石墨烯改性钢
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢材，具体涉及一种石墨烯改性钢。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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〇. 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°C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°C低温冲击韧性Akv80J-130J。
[0008] 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-lnm 之间。石墨烯的层数越低，其提供韧性的效果越佳。
[0009] 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。
[0010] 实施例1
[0011] 按照配方生产含碳量为〇. 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。
[0012] 实施例2
[0013] 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。
[0014] 实施例3
[0015] 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。
[0016] 比较例1
[0017] 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。
[0018] 实施例4
[0019] 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。
[0020] 实施例5
[0021] 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。
[0022] 实施例6
[0023] 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。
[0024] 比较例2
[0025] 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。
[0026] 实施例7
[0027] 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。
[0028] 实施例8
[0029] 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。
[0030] 实施例9
[0031] 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。
[0032] 比较例3
[0033] 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. Ol %，余量为Fe。
[0034] 检测上述各实施例和比较例的屈服强度和_40°C低温冲击韧性，列于表1中。
[0035] 表1各实施例和比较例样品的性能参数
[0036]
【权利要求】
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。
【文档编号】C22C38/00GK104388814SQ201410461727
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】唐地源, 刘顶 申请人:济南圣泉集团股份有限公司