A novel approach on production of carbon steels using graphene via powder metallurgy

ABSTRACT

Powder metallurgy (P/M) allows producing net or near net-shaped ferrous parts at lower temperatures compared to conventional casting. Carbon steels have a wide range of applications due to their comparatively low cost. So far, iron powders have been compacted and sintered with graphite to produce carbon steels via P/M. However, many studies have been published on the usage of graphene nanoplatelets (GNPs) in metal matrix composites, in recent years. To the best of our knowledge, there is no study on the investigation of the effect of GNPs on microstructural, mechanical, and tribological properties of ferrous materials. For this purpose, carbon steels containing different amounts of GNPs (0.25, 0.50, 0.75 wt.%) were fabricated via P/M. To better understand its effect, graphite was also used at the same contents. Results show that graphene reinforced samples had nearly 11%, 25%, 10% higher tensile strength, hardness, and wear resistance, respectively than graphite-reinforced samples at 0.25 wt.% reinforcement ratio. However, the graphene with a reinforcement ratio of more than 0.5 wt.% showed lower tensile properties nearly 15% compared to graphite-reinforced steels due to its agglomeration.

La métallurgie des poudres (P/M) permet de produire des pièces ferreuses de forme nette ou presque nette à des températures plus basses par rapport au moulage conventionnel. Les aciers au carbone ont une grande gamme d’applications en raison de leur coût comparativement faible. Jusqu'à maintenant, les poudres de fer ont été compactées et frittées avec du graphite pour produire les aciers au carbone par la métallurgie des poudres. Cependant, plusieurs études ont été publiées à propos de l’utilisation des nanoplaquettes de graphène (GNPs) dans les composites à matrice métallique, ces dernières années. Au meilleur de notre connaissance, il n’y a pas d’étude sur l’examen de l’effet des GNPs sur les propriétés microstructurales, mécaniques et tribologiques des matériaux ferreux. À cette fin, on a fabriqué par P/M des aciers au carbone contenant différentes quantités de GNPs (0.25, 0.50, 0.75% en poids). Afin de mieux comprendre son effet, on a également utilisé du graphite dans les mêmes proportions. Les résultats montrent que les échantillons renforcés de graphène avaient une résistance à la traction, une dureté et une résistance à l’usure de presque 11%, 25% et 10%, respectivement, supérieures aux échantillons renforcés de graphite à un rapport de renforcement de 0.25% en poids. Cependant, le graphène avec un rapport de renforcement de plus de 0.5% en poids a montré des propriétés de traction inférieures de près de 15% par rapport aux aciers renforcés de graphite en raison de son agglomération.

KEYWORDS:

• Powder metallurgy
• graphene
• graphite
• microstructure
• mechanical properties

Acknowledgment

The authors would like to thank the Karabuk Iron and Steel Institute for their support for analyses.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).