CN100415903C - 金属表面纳米化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属表面纳米化的方法，属于金属材料工程技术领域。本发明方法为：将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。本发明通过移动圆柱体或被加工工件或试样实现持续反复加工，将纳米材料的优异性能很好的嫁接到普通金属材料上面，赋予后者一些原来没有的特殊性能，提高其应用性，开阔其应用领域。本发明可以实现大面积板材或工件的加工处理，适合进行工业推广应用。本发明工艺简单，设备经济，工业上易于实现，且形成的纳米膜层性能优越，与金属材料基体结合良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属表面处理技术领域的方法，具体涉及一种金属表面纳米化的方法。
背景技术
纳米晶材料已经引起了广大研究者和工业界的极大兴趣。但是，大块体的纳米晶体材料的制备仍然是材料学界的难题之一，并且所制造出的块体纳米材料难以进行工业应用。材料表面纳米化采用比较折衷的方式在材料表面制取性能优异的纳米层，既降低了工艺难度，又在很大程度上提高了材料的综合性能。同时，考虑到很多材料的失效方式是在材料表面或者是由材料表面开始的，而通过表面纳米化提高材料的表面性能有效的提高金属材料的综合性能指标。目前已有的金属材料表面纳米化方法主要有：表面涂敷或沉积、机械表面研磨处理等，前者是在材料表面涂敷或沉积一层本身具有纳米尺度和性能的膜层，主要有：物理蒸发沉积、化学蒸发沉积、电镀、激光融覆和喷涂等；后者是使用钢球击打金属表面使其表面晶粒细化，但以上的方法都具有一定的局限性，很难进行工业化推广。
经对现有技术的文献检索发现，K.Lu等在《Acta Materialia》(《材料学报》，2002年50卷4603-4616页)发表了题为“An investigation of surfacenanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanicalattrition treatment”(“表面机械研磨方式诱导铁表层纳米化机理研究”)的论文，提出使用表面机械研磨的方法进行表面纳米化处理，可以在材料表面制取无污染且与表面结合良好的纳米层，但是设备相对来说要复杂，且不能进行大面积的处理，所以在工业推广上具有难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种金属表面纳米化的方法，使其以简单的工艺和设备实现大面积加工，具有良好的工业化的可能性，且可以消除金属表面膜层脱落的问题，很好的提高金属的表面性能和综合性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明为：将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。对于不同的金属材料，其实现表面纳米化的最低摩擦线速度是不同的。一般来说，在其他因素相同时，旋转摩擦线速度越快，形成的纳米晶粒越细，但是受到工艺条件的限制，在现实中不可能实现旋转线速度的无限提高。在工艺过程中，可以水平移动刚性圆柱体或被加工的金属材料，从而实现对大型工件和大面积板材的表面处理。本发明是在金属材料表面原位生成纳米膜层，因此膜层与金属基体结合良好。
所述的刚性圆柱体的直径没有一定的要求，本发明中主要的因素是对试样起摩擦作用的点的线速度，直径是影响线速度的一个因素，因此当考虑了线速度以后就不用再考虑圆柱体的直径。刚性圆柱体的工作面保证光洁度，垂直度，对此没有明确的要求，但是如果光洁度和垂直度不好会影响工艺的效率。本发明使用可以调整转速的动力系统驱动刚性圆柱体转动。
本发明是通过强烈快速塑性变形制取纳米晶膜层，因此在工艺过程中，须使刚性圆柱体具有一定的径向压力和转速，对径向压力没有具体要求，但一定要使被处理试样的表面能够产生塑性变形；转速可以越快越好，转速增大，摩擦点的线速度增大，就能在试样表面产生更加强烈快速的塑性变形。一般情况下，线速度越高，所得膜层的晶粒越细小。如果线速度过低，可以适当增加摩擦道次，以期能够得到足够细化的晶粒组织。从原理上来说可以无限的提高摩擦线速度，从而更好的细化晶粒，但是这要受具体条件的约束。
本发明可以通过移动旋转的刚性圆柱体或被加工工件和试样实现对工件或试样持续和反复加工，并且实现大面积板材或工件的加工，为工业化推广的实现创造了方便之处。
本发明的原理是使金属材料表面产生强烈塑性变形，在工艺进行过程中产生巨大的应力应变梯度，使金属材料的表面晶粒产生各种缺陷的增殖、湮灭、运动、纠结以及局部高温等现象，进而细化晶粒至纳米尺度。这是一个相当复杂的过程，涉及到晶体动力学、热力学等多方面的因素，同时通过应力的传递，在垂直于金属材料表面的方向上形成具有一定厚度的纳米晶粒结构的膜层，在纳米层与基体金属之间存在一层较厚的变形过渡层。总体而言，在垂直于处理表面方向上，离金属材料外表面越远晶粒尺寸越大，基本上是一个渐变的过程。金属材料表面原位生成纳米膜层后，膜层的化学成分是没有变化的，而且不会引入其他成分污染基体。同时因为是原位生长的，膜层与基体直接结合良好，是很好的冶金结合，不存在空隙、疏孔等缺陷，所以也就不存在脱落等问题。
本发明中，由于金属材料表面结构的优化很好的抵抗了位于材料表面的破坏源或缺陷源，因此很好的提高了金属材料的综合应用性能。从材料学的角度讲，纳米细晶和普通粗晶各有优缺点，本发明使这两者很好的结合在一起互补长短，使金属工程材料展现出很好的综合应用性能。本发明工艺简单、经济，可以将纳米材料的优异性能很好的嫁接到普通金属材料上面，赋予后者一些原来没有的特殊性能，提高了其应用性，开阔了其应用领域。
附图说明
图1为本发明工作原理示意图
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，金属样品为铁三铝金属间化合物，刚性圆柱体为普通高速钢，将金属样品固定在工作台面上，然后将刚性圆柱体垂直于上述样品上以20m/min的线速度摩擦样品表面，工作台以3mm/s的速度在一个方向上水平移动50mm，反复如上过程五次，使金属样品表面出现一个10mm*50mm晶粒细化区。在透射电镜下观察处理区，可以看到晶粒尺寸在100纳米以下，属于纳米晶范畴，实验结果表明本发明方法可以实现金属材料表面纳米化。
实施例2
如图1所示，金属样品为铁三铝金属间化合物，刚性圆柱体为硬质合金，将金属样品固定在工作台面上，然后将刚性圆柱体垂直于上述样品上以75m/min的线速度摩擦样品表面，工作台以3mm/s的速度在一个方向上水平移动50mm，反复如上过程五次，使金属样品表面出现一个10mm*50mm晶粒细化区。在透射电镜下观察处理区，可以看到晶粒尺寸在20纳米以下，属于纳米晶范畴，实验结果表明本发明可以实现金属材料表面纳米化，且提高刚性圆柱体摩擦的线速度有益于晶粒的细化。
Claims (4)
1. 一种金属表面纳米化的方法，其特征在于，将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。
2. 根据权利要求1所述的金属表面纳米化的方法，其特征是，当对大型工件和大面积板材的表面处理时，同时水平移动刚性圆柱体或被加工的金属材料。
3. 根据权利要求1所述的金属表面纳米化的方法，其特征是，所述的使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，摩擦作用的点旋转线速度大于或者等于20m/min。
4. 根据权利要求1所述的金属表面纳米化的方法，其特征是，所述的使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，当摩擦作用的点旋转线速度小于20m/min时，增加摩擦道次，至得到细化的晶粒组织。
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