[发明专利]一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的渗剂、制备方法和具有该表层组织的钢材

说明书

一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的渗剂，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。

技术领域

本发明涉及一种纳米、纳微米碳材料增强超细晶粒表层组织的渗剂、制备方法和具有该表层组织的钢材。

背景技术

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发明都将推动世界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发明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-Mechanical Control Process）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。本发明同样瞄准超细晶化构建发明的技术途径，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，而本发明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。