本发明涉及高速工具钢材料
技术领域：
，特别是涉及一种石墨烯复合高速工具钢的制备方法。
背景技术：
：高速工具钢主要用来制备高速切削刀具，如钻头、铣刀和带锯的切削等，具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性。现代制造业的快速发展要求高速工具钢具有更好的性能和稳定性，从而提高其加工效率和加工精度。近年来，国内外高速工具钢材的质量和生产技术等方面都取得了较快发展，高速工具钢的发展也推动了工业产品向高级化、个体化、高附加值化的方向发展。但是现有的高速工具钢的性能仅能够满足一般材料的切削，而对于高性能零件来说，现有的高速工具钢强度和硬度仍不够高，同时韧性较低，无法满足高性能零件的加工需求。技术实现要素：基于此，有必要针对如何提高高速工具钢机械性能的问题，提供一种石墨烯复合高速工具钢的制备方法。本发明提供一种石墨烯复合高速工具钢的制备方法，包括以下步骤：提供混合液，所述混合液包括挥发性有机溶剂、石墨烯粉体以及高速工具钢粉体；将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为950℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及将所述复合材料坯体与所述包套分离。在其中一个实施例中，所述热等静压的温度为1050℃～1200℃。在其中一个实施例中，所述石墨烯粉体在所述石墨烯复合高速工具钢中的质量分数0.01％～2％。在其中一个实施例中，所述石墨烯粉体的片径为3μm～40μm。在其中一个实施例中，所述高速工具钢粉体的粒径为10μm～70μm。在其中一个实施例中，所述干燥处理的步骤包括：将所述混合液在40℃～50℃进行搅拌，直至去除部分所述挥发性有机溶剂而形成浆料；以及将所述浆料进行真空干燥，全部去除所述浆料中的所述挥发性有机溶剂。在其中一个实施例中，所述抽真空除气处理的步骤包括：将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2pa；以及对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热温度为400℃～600℃。在其中一个实施例中，所述加热时间为2小时～10小时。在其中一个实施例中，所述石墨烯复合高速工具钢的制备方法还包括：在所述干燥处理步骤和所述抽真空除气处理步骤之间，对所述干燥处理后的混合粉体进行低温球磨的步骤，所述低温球磨的温度为-80℃～-160℃。在其中一个实施例中，所述石墨烯复合高速工具钢的制备方法还包括对所述复合材料坯体进行机械加工的步骤。在其中一个实施例中，所述有机溶剂为无水乙醇。在其中一个实施例中，所述高速工具钢粉体包括铁元素、非石墨类碳元素及其他元素，所述非石墨类碳元素在所述石墨烯复合高速工具钢中的质量分数为1.4％～1.8％。在其中一个实施例中，所述其他元素包括在所述石墨烯复合高速工具钢中占以下质量分数的元素：cr:4.0％～5.0％；v:4.0％～5.5％；mo:1.5％～2.5％；co:7.5％～8.2％；w:10.2％～12％；mn:≤0.3％；si:≤0.6％。在其中一个实施例中，所述高速工具钢粉体为将钢材破碎后得到，或者为所述高速工具钢的组成元素的单质粉体的混合。本发明提供的石墨烯复合高速工具钢的制备方法，通过将石墨烯和高速工具钢粉体进行机械混合、真空抽气和热等静压处理制备得到石墨烯复合高速工具钢。通过热等静压的方法，在高温和高压同时作用下，使石墨烯和高速工具钢粉固结成型，从而实现石墨烯和高速工具钢粉基体的结合，解决了石墨烯易于团聚，无法在基体中均匀分散以及高温界面反应的问题，同时简化了工艺步骤，避免了多步骤工艺过程中石墨烯的氧化程度。通过控制热等静压的温度在950℃～1300℃，实现石墨烯和高速工具钢材料的牢固结合，使得石墨烯和钢材元素之间具有良好的结合界面，形成具有高机械性能的石墨烯复合高速工具钢。所述石墨烯复合高速工具钢不仅可以应用于一般的切削材料，如刀具、钻头和带锯等，还可应用于重载机械工具、高强度材料的精密冲切工具，而且使用寿命更长。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供一种石墨烯复合高速工具钢的制备方法，包括以下步骤：s10，提供混合液，所述混合液包括挥发性有机溶剂、石墨烯粉体以及高速工具钢粉体；s20，将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；s30，将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；s40，将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为950℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；s50，将所述复合材料坯体与所述包套分离。本发明实施例通过将石墨烯和高速工具钢粉体进行机械混合、真空抽气和热等静压处理，制备得到石墨烯复合高速工具钢。通过热等静压的方法，在高温和高压同时作用下，使石墨烯和高速工具钢粉固结成型，从而实现石墨烯和高速工具钢粉基体的结合，解决了石墨烯易于团聚，无法在基体中均匀分散以及高温界面反应的问题，同时简化了工艺步骤，避免了多步骤工艺过程中石墨烯的氧化问题。通过控制热等静压的温度在950℃～1300℃，实现石墨烯和高速工具钢材料的牢固结合，使得石墨烯和钢材元素之间具有良好的结合界面，形成具有高机械性能的石墨烯复合高速工具钢。所述高速工具钢粉体可以为各组成元素单质的粉体或者由对应的钢材破碎后得到的粉体。所述高速工具钢粉体以占石墨烯复合高速工具钢总质量70％以上的铁作为基本元素，以钨、钼、铬、钒、钴为主要合金元素，并包括非石墨类碳元素及其他掺杂元素的高碳高合金钢。按照各组成元素在所述石墨烯复合高速工具钢中的质量分数计算组成高速工具钢粉体的各组成元素的用量。在所述石墨烯复合高速工具钢中，所述非石墨类碳元素的质量分数可以为1.4％～1.8％，优选为1.6％～1.7％；所述主要合金元素的质量分数可以为：w10.2％～12％，mo1.5％～2.5％，cr4％～5％，v4％～5.5％，co7.5％～8.2％；所述石墨烯复合高速工具钢还可以包括或不包括含量较低的mn、si或其他合金元素，优选的，mn≤0.3％，si≤0.6％。所述石墨烯粉体与所述高速工具钢粉体的质量比为0.01:99.9～1:49，即在所述石墨烯复合高速工具钢中，所述石墨烯粉体的质量分数为0.01％～2％。所述石墨烯为原始的石墨烯，即未被氧化或连接功能基团的石墨烯，所述石墨烯的层数可为1～8层，优选的，所述石墨烯的层数为1～3层，所述石墨烯的层数越少，形成的石墨烯复合高速工具钢的机械性能越好。优选的，在所述的石墨烯复合高速工具钢中，所述石墨烯的质量分数为0.05～0.5％。所述高速工具钢粉体的粒径可以为10μm～70μm，所述石墨烯粉体的片径为3μm～40μm，该片径范围更有利于钢材粉体与石墨烯粉体之间的均匀混合以及相互配合的提高石墨烯复合高速工具钢的机械性能。在步骤s10中，所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体在所述挥发性有机溶剂中通过均匀分散的方式混合，挥发性有机溶剂挥发后的所述混合粉体中石墨烯粉体均匀混合于所述高速工具钢粉体中。在一实施例中，所述提供所述混合液的步骤可以包括：s12，将所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体在干燥状态进行混合形成第一混合粉体；s14，将所述第一混合粉体与所述挥发性有机溶剂进行混合。所述挥发性有机溶剂可选择为不会对所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体的性质产生影响的易挥发溶剂，包括乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂中的至少一种，优选的，所述混合液的组分不含水，所述挥发性有机溶剂为无水乙醇。在步骤s12中，可以通过机械混合的方法将所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体均匀混合。优选的，通过v型混粉机将所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体均匀混合。所述混粉时间可以根据所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体的粒径及种类进行确定。在一实施例中，所述混粉时间可以为4小时～10小时。在步骤s14中，所述第一混合粉体与所述挥发性有机溶剂可以通过搅拌形成所述混合液。在步骤s20中，所述干燥处理的步骤可以为对所述混合液进行加热处理，所述加热温度可以为25℃～50℃。在一实施例中，所述步骤s20和所述步骤s14可以同时进行，通过在搅拌过程中对所述混合液进行加热处理使得所述挥发性有机溶剂挥发，可以简化工艺步骤。优选的，所述干燥处理的步骤可以包括：将所述混合液在40℃～50℃进行搅拌，直至去除部分所述挥发性有机溶剂而形成浆料，所述浆料中的所述挥发性有机溶剂的含量优选为浆料总重量的5％～20％；以及将所述浆料进行真空干燥，全部去除所述浆料中的所述挥发性有机溶剂。通过所述干燥处理，能够避免所述高速工具钢粉体在长时间有氧环境的加热干燥过程中表面被氧化。在一实施例中，所述真空干燥的温度可以为80℃～100℃。在步骤s30中，所述抽真空除气处理的步骤可以包括：s32，将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2pa；以及s34，对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热温度为400℃～600℃。采用先抽真空再加热处理的步骤有利于保证抽真空除气处理的彻底性以及在此过程中所述混合粉体的性质不受影响，避免加热处理步骤使石墨烯氧化。在一实施例中，所述步骤s34的加热时间为2小时～10小时。在一实施例中，还可以包括：在所述干燥处理步骤和所述抽真空除气处理步骤之间，对所述干燥处理后的混合粉体进行球磨的步骤。在所述抽真空处理步骤之前进行球磨，使得所述混合粉体的颗粒尺寸更小，更有利于彻底除气。同时，减小所述混合粉体的颗粒尺寸，有利于进一步热等静压中降低石墨烯和钢材元素之间的界面距离，提高所述石墨烯复合高速工具钢的机械性能。所述球磨工艺优选为低温球磨，低温球磨不仅可以使所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体均匀混合，还可以使所述石墨烯粉体和所述高速工具钢粉体形成界面结合，进一步提高所述石墨烯复合高速工具钢的机械性能。优选的，所述低温球磨的温度可以为-80℃～-160℃。在步骤s40中，通过将所述混合粉体装载到密闭的所述包套中，向装载有所述混合粉体的所述包套施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，使得所述混合粉体得以烧结和致密化形成石墨烯复合高速工具钢。所述包套的材料可以选自金属或玻璃。所述加压介质可以采用氮气、氩气等惰性气体。优选的，所述热等静压的温度可以为1050℃～1200℃。所述热等静压的压强可以为120mpa～200mpa。所述热等静压处理时间可以为2小时～5小时。所述温度、压强和时间相互配合，使得热等静压形成的所述石墨烯钢复合材料的整体密度更均匀，材料更致密，机械性能更好。优选的，所述石墨烯复合高速工具钢的制备方法可以进一步包括：s60，将所述复合材料坯体与所述包套分离之后，对所述复合材料坯体进行机械加工及热处理的步骤。所述机械加工及热处理包括等温锻造、轧制及淬火和回火热处理中的一种或多种。在一实施例中，所述机械加工包括对复合材料坯体进行等温锻造，所述等温锻造温度可以为900℃～1200℃，锻造速率可以为0.005mm/min至0.02mm/min。通过等温锻造可以将所述石墨烯复合高速工具钢塑形，有利于提高所述石墨烯复合高速工具钢的精度和质量。在一实施例中，所述机械加工还可以包括将所述复合材料坯体进行轧制的步骤，所述轧制温度可以为1000℃～1200℃。在一实施例中，轧制后的所述坯体的厚度可以为1.5mm～30mm。所述轧制厚度可以根据所述石墨烯复合高速工具钢的具体应用进行确定。在一实施例中，所述机械加工进一步包括将所述复合材料坯体进行淬火和回火热处理，所述淬火温度为1150～1200℃，所述回火温度可以为500℃～600℃，回火次数可以为2至3次。所述淬火和回火热处理可以进一步提高工件的硬度和耐磨性，使所述石墨烯复合高速工具钢获得更好的综合机械性能。本发明实施例还提供一种石墨烯高速工具钢，可通过上述制备方法制备，所述石墨烯高速工具钢包括高速工具钢基体和与所述高速工具钢基体复合的石墨烯，所述高速工具钢基体包括铁元素、非石墨类碳元素及其他元素，所述其他元素包括cr、v、mo、co和w；在所述石墨烯复合高速工具钢中各组分的质量分数为：石墨烯0.01％～2％；非石墨类碳元素1.4％～1.8％；cr4％～5％；v4％～5.5％；mo1.5％～2.5％；co7.5％～8.2％；w10.2％～12％。本发明实施例的石墨烯复合高速工具钢，将质量分数为0.01％～2％的二维纳米材料石墨烯和含有特定元素的高速工具钢基体均匀复合，石墨烯独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，使石墨烯复合高速工具钢具有较高的机械性能，尤其具有较高的抗弯强度、硬度和冲击韧性。进一步的，不仅石墨烯的质量分数对复合钢材的机械性能有影响，高速工具钢基体中各元素的质量分数也会影响复合钢材的机械性能，例如cr会促进晶粒长大，导致钢材的脆性增加，而w会抑制晶粒长大并有晶粒细化的作用，因而避免了钢材的脆化。本发明实施例通过控制所述石墨烯和所述高速工具钢基体中各种元素的配比，使所述石墨烯复合高速工具钢综合机械性能更优异。在一实施例中，在所述石墨烯复合高速工具钢中，所述其他元素还包括mn和si，所述mn的质量分数≤0.3％，所述si的质量分数≤0.6％。所述石墨烯复合高速工具钢的抗弯强度可达到3800mpa～4500mpa，所述石墨烯复合高速工具钢的硬度可达到70hrc～80hrc，所述石墨烯复合高速工具钢的冲击韧性可达到70j/cm2～90j/cm2。实施例1提供如下质量的原料，包括石墨烯粉体和能够组成高速工具钢的各元素单质的粉体共1000克，其中石墨烯2克，无定型碳16克，cr47克，mo18克，v49克，w110克，co80克，si6克，mn3克，余量为fe。组成高速工具钢的各元素单质的粉体的平均直径为50μm。将石墨烯粉体和各元素单质粉体放入v型混粉机进行混粉8h；将混合后的粉体分散于无水乙醇中，在40℃机械搅拌下干燥处理混合物呈浆料状，转移到真空烘干箱中进行彻底干燥处理，干燥温度为100℃，得到混合粉体；干燥后的混合粉体装入圆柱形钢包套中，抽真空至真空压强为1×10-2pa后，加热到600℃，保温2h，冷却到室温后焊接钢包套封口密封；将封好的钢包套在温度为1200℃，压力为160mpa的条件下进行热等静压处理2小时，混合粉体固结为复合钢材；将热等静压后的复合钢材外的钢包套去除，然后在1180℃进行等温锻造，锻造速率为0.01mm/min；将等温锻后的复合钢材在1150℃进行轧制；将轧制好的复合钢材进行1180℃淬火，之后进行550℃×1h×3次回火。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如表1所示。实施例2与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于，原料中，组成高速工具钢的各元素单质的粉体的平均直径小于10μm。对制备的石墨烯复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如表1所示。从表1可以看出，实施例1制备的钢材料在抗弯强度、硬度和冲击韧性等方面的性能都更优于实施例2，说明粒径控制在适当范围内有利于增强石墨烯复合高速工具钢的机械性能。实施例3与实施例1的原料和制备方法基本相同，不同之处仅在于，将混合后的粉体分散于无水乙醇后，直接在开放环境中100℃机械搅拌下彻底干燥得到混合粉体。对制备的石墨烯复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如表1所示。从表1可以看出，由于实施例3的干燥过程中石墨烯存在一定程度的氧化，使实施例3制备的钢材料性能低于实施例1。实施例4与实施例1的原料和制备方法基本相同，不同之处仅在于，对所述干燥处理后的混合粉体在包套前进行低温球磨，所述低温球磨的温度为-120℃，球磨时间为6小时。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。从表1可以看出，低温球磨有利于提高高速工具钢的机械性能。实施例5与实施例1的原料和制备方法基本相同，不同之处仅在于，对所述干燥处理后的混合粉体在包套前进行常温球磨，所述常温球磨的温度为25℃，球磨时间为6小时。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。从表1可以看出，常温球磨过程中石墨烯存在一定程度的氧化，不利于提高高速工具钢的机械性能。对比例1与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，原料中未加入石墨烯。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。对比例2与实施例1的原料相同，不同之处在于，采用冷等静压成型工艺，制备方法为：具体的，通过与实施例1相同的步骤在相同条件下制备得到密封有混合粉体的钢包套，将钢包套在25℃进行冷等静压处理，压力为300mpa，时间10min；将得到的复合钢材在1150℃下烧结2h，然后进行与实施例1相同的等温锻造、轧制、淬火和回火步骤。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。对比例3与实施例1的原料相同，不同之处在于，采用压力成型与高温烧结工艺。具体的，采用与实施例1相同的步骤在相同条件下制备混合粉体。将混合粉体装入圆柱形模具中，使用2000t压力机对混合粉体进行压实处理，保压10min。对加压成型后坯体升温到1150℃烧结，保温2h得到复合钢材，然后进行与实施例1相同的等温锻造、轧制、淬火和回火步骤。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。对比例4与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于，热等静压的温度为850℃。对制备的石墨烯复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如表1所示。对比例5与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于，原料中将cr的质量增加至100克，减少相应量的fe，使cr的质量分数为10％。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。对比例6与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于，原料中将w的质量减少至50克，增加相应量的fe，使w的质量分数为5％。对制备的石墨烯钢复合高速工具钢进行机械性能测定，结果如下表1所示。表1石墨烯复合高速工具钢抗弯强度硬度冲击韧度αk实施例14000mpa72hrc88j/cm2实施例23450mpa67hrc48j/cm2实施例33560mpa68hrc50j/cm2实施例44050mpa73hrc90j/cm2实施例53550mpa68hrc50j/cm2对比例12900mpa60hrc39j/cm2对比例23100mpa65hrc42j/cm2对比例33230mpa64hrc41j/cm2对比例43010mpa64hrc40j/cm2对比例52800mpa59hrc38j/cm2对比例63055mpa61hrc44j/cm2从表1可以看出，实施例制备的钢材在抗弯强度、硬度以及冲击韧度等机械性能上均强于对比例制备的钢材，说明石墨烯的添加、固结成型的工艺、热等静压的温度以及元素质量分数的配比是影响钢材机械性的关键因素，通过综合控制这些关键因素，有利于使所述石墨烯复合高速工具钢具有优异的机械性能，尤其具有较高的抗弯强度、硬度和冲击韧性。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12