[发明专利]一种高性能碳钢的制备方法

说明书

本发明提供了一种高性能碳钢的制备方法，(1)将铁基粉末与高纯石墨球同时加入三维振动混粉机进行三维振动混粉，振动频率为10～80Hz，振动时间为10min～10h；(2)将三维振动混粉后的粉体进行放电等离子体活化及致密化烧结，烧结温度为1150～1300℃，升温速率为20～200℃/min，烧结压力为10MPa～50MPa，保温时间为5～120min；完成高性能碳钢的制备；采用本发明制备的碳钢内部晶粒呈现出独特的铁碳化合物Fe_χC(χ＝1～3)型结构,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物Fe_χC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构，使得材料的力学性能、电学性能及热学性能大幅度提高。

技术领域

本发明属于结构材料制备技术领域，具体涉及一种高性能碳钢的制备方法。

背景技术

碳钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。碳钢的产量在各国钢总产量中的比重约保持在80％左右，它不仅被广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业，在近代的石油化学工业、海洋开发等层面也得到大量应用。世界各工业国家在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳钢的质量，扩大其品种和使用范围。碳钢大都采用氧气转炉和平炉冶炼，优质碳钢也采用电弧炉生产，其性能主要取决于钢的含碳量和显微组织，在冶炼和轧制加工过程中，会产生结疤、裂纹、缩孔残余以及碳分布不均匀等缺陷。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高性能碳钢的制备方法，将用于制备高性能碳钢的铁基粉末与高纯石墨球一起加入三维振动混粉机，通过三维振动混粉使待包覆铁基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的少层石墨均匀包覆在铁基粉末上，然后对粉体进行放电等离子体活化及致密化烧结，制备的碳钢内部晶粒呈现出独特的铁碳化合物Fe_χC(χ＝1～3)型结构,从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物Fe_χC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构，使得制备的碳钢机械性能得到大大提高，为生产新型高性能碳钢提供了一种简单有效的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高性能碳钢的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：

①称取质量为m的铁基粉末与高纯石墨球加入三维振动混粉机，利用三维振动混粉机机对铁基粉末与高纯石墨球的混合物进行三维振动混粉，通过三维振动混粉使待包覆铁基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时将剥离下来的少层石墨均匀包覆在铁基粉末上；铁基粉末与高纯石墨球的初始加入量之比为0.1:1～10:1，振动频率为10～80Hz，振动时间为10min～10h；

②振动混粉结束后，将高纯石墨球取出，称量高纯石墨球的质量，通过控制三维振动混粉的振动频率和振动时间来控制高纯石墨加入量m₀；

步骤2：

将三维振动混粉后的粉体加入到模具中，置入放电等离子体活化烧结炉中进行放电等离子体活化及致密化烧结，烧结温度为1150～1300℃，升温速率为20～200℃/min，烧结压力为10～50MPa，保温时间为5～120min，炉冷至室温即得到高性能碳钢，高性能碳钢内部晶粒为独特的铁碳化合物Fe_χC(χ＝1～3)型结构，从晶粒表面到晶粒心部χ均匀增大；同时，铁碳化合物Fe_χC作为增强体，在活化及致密化烧结过程中相互连接形成连续三维空间网络结构。

优选地，所述铁基粉末为铁粉末或铁合金粉末。

优选地，所述的石墨加入量m₀使得碳钢中的含碳质量为0.0218％～2.11％。