CN102560508A

CN102560508A - 利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法

Info

Publication number: CN102560508A
Application number: CN2012100517841A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 刘平; 马凤仓; 刘新宽; 陈小红; 何代华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其将渗入介质元素粉末放入密闭容器内，在真空环境中，用超硬耐磨的不锈钢球对所述金属材料进行表面机械研磨处理，之后对经表面机械研磨处理的金属材料进行真空退火处理。本发明通过在渗入介质粉末中对金属材料进行表面机械研磨处理，利用纳米材料的高扩散性能以及之后的退火处理对扩散的促进作用，使金属材料达到表面改性并强化表面的目的，显著地提升了金属材料的表面性能，具有工艺简单、操作方便、节约成本的优点。

Description

利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种对金属材料进行表面改性的方法，可提高金属材料的表面性能，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

上世纪末，中国科学院金属研究所的卢柯院士和法国特鲁瓦技术大学的吕坚教授共同提出了表面机械研磨处理技术(Surface Mechanical Attrition Treatment，缩写SMAT)，用于实现金属材料的表面纳米化。表面机械研磨处理的原理类似于高速喷丸，其设备包括两部分：振动发生器以及用于盛放撞击弹丸、固定金属样品的容器。SMAT处理的过程为：将弹丸放在由振动发生器驱动的密闭容器内，被处理金属材料固定在容器顶部，处理时通过振动发生器的驱动，容器内弹丸产生共振，并连续不断的高速撞击金属材料表面，每一次撞击都导致材料表层发生塑性变形，经过连续多方向高速的撞击，金属材料表层产生剧烈塑性变形，致使表层晶粒细化至纳米量级。SMAT技术从开始提出，就引起国内外材料科学领域的广泛关注，该技术从开始发展至今十多年的时间，已广泛应用于多种金属材料的纳米晶表层的制备，如Al、Ti、Co、Cu、Fe、Fe-30wt.％Ni合金、304和316L不锈钢等。

金属材料经SMAT处理后可获得约50μm厚的纳米晶表层，纳米晶表层内高体积分数的晶界为原子扩散提供了理想的通道，可以大幅度地提高合金元素的渗入浓度和深度，并能降低化学热处理温度和减少处理时间。比如，卢柯课题组报道了纯Fe经SMAT处理后，渗氮温度从550℃降低到300℃，具有广阔的工业应用前景，这项工作发表在2003年的《Science》上；王镇波等发现纯Fe经SMAT处理后表层具有非常高的渗Cr特性，Cr原子在纳米晶表层的扩散系数分别比Fe的晶格扩散系数和晶界扩散系数高7-9和4-5个数量级；中科院兰州化学物理研究所薛群基院士的研究小组报道了对SMAT处理的AISI 321不锈钢进行等离子渗氮的研究，发现SMAT处理显著增强了不锈钢的渗氮效果，并有效地降低了渗氮温度；随后，王镇波等又报道了室温下对SMAT处理后的纳米晶Cu中进行Ni的扩散研究，发现其扩散系数比沿传统大角晶界进行扩散的系数高约六个数量级。另外，还有其它许多关于SMAT处理促进材料表面化学热处理的研究报道，均取得了非常好的改善效果。

然而，上述报道均是利用SMAT技术首先在金属表面制备出纳米晶表层，然后再在特定的介质中进行热处理(化学热处理)，从而使介质元素扩散入纳米晶表层以达到表面改性的目的。这种工艺虽然相比粗晶金属材料能达到更好的表面改性效果，但是后续的化学热处理需在特定介质中实现，所以该工艺存在工艺复杂、成本较高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，在表面机械研磨处理的容器中，加入渗入介质元素的超细粉体，使之在表面机械研磨处理过程中以及之后的热处理过程中更充分地渗入被处理金属材料的表层内，以起到强化表面改性效果的作用，进一步提高被处理材料的性能。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：将渗入介质元素粉末放入密闭容器内，在真空环境中，用超硬耐磨的不锈钢球对所述金属材料进行表面机械研磨处理，之后对经表面机械研磨处理的该金属材料进行真空退火处理。

本发明所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其具体步骤如下：

(1)在密闭容器内放入一定量的超细的渗入介质元素粉末，并将之平铺在所述密闭容器的底部，该密闭容器内的顶部固定被处理的金属材料，底部放置超硬耐磨的不锈钢球，然后在真空环境中对所述金属材料进行表面机械研磨处理；

(2)将经表面机械研磨处理后的金属材料在不同温度下进行真空退火处理。

在所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法中，所述渗入介质元素粉末为金属元素粉末，晶粒尺寸为500nm，其加入量恰好使其没过密闭容器底部的不锈钢球；该不锈钢球的直径为8mm；步骤(1)中，所述表面机械研磨处理的振动频率为50Hz，时间为60分钟，步骤(2)中，所述真空退火处理的温度为300℃～650℃，时间为30～60分钟。

本发明的有益技术效果：

本发明所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法在表面机械研磨处理过程中加入了欲渗入的介质元素粉末，不仅使金属材料表层晶粒尺寸发生了细化，还使金属材料表层渗入了合金元素的新成分，从而达到了表面改性的目的；表面机械研磨处理后的真空退火处理使得合金介质元素进一步向金属材料内部扩散，并与被处理金属材料元素之间结合形成新型化合物，从而使表面改性的效果进一步得到强化。利用本发明所述方法对金属材料进行表面改性，不仅能够提高金属材料表面的硬度、强度、耐磨性等力学性能，而且能够提高金属材料的使用寿命。

本发明比起之前报道的先经SMAT处理获得纳米晶表层、再进行传统化学热处理的工艺，更具有操作简便、节省成本的特点，因此具有更广泛的工业应用价值。

附图说明

图1为本发明对金属材料进行表面改性的示意图。

具体实施方式

本发明所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法为，将渗入介质元素粉末放入密闭容器内，在真空环境中，用超硬耐磨的不锈钢球对所述金属材料进行表面机械研磨处理，之后对经表面机械研磨处理的该金属材料进行真空退火处理。

请参阅图1，本发明所述工艺方法的具体步骤如下：

(1)在由振动发生器驱动的密闭容器内放入一定量的超细的渗入介质元素粉末，并将之平铺在所述密闭容器的底部，该密闭容器内的顶部固定被处理的金属材料，底部放置超硬耐磨的不锈钢球，然后启动振动发生器在真空环境中通过不锈钢球的冲击对所述金属材料进行表面机械研磨处理，使介质元素在SMAT处理过程中渗入被处理的金属材料表层，以起到表面改性的效果；

(2)将经表面机械研磨处理后的金属材料在不同温度下进行真空退火处理，使渗入介质元素进一步向金属材料内部扩散，强化表面改性的效果，此外，在SMAT处理在被处理样品内部产生的高储存能下，渗入介质元素与被处理金属材料元素之间结合形成新型化合物，进一步提高被处理金属材料的性能。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下述实施例所用的设备、表征和测量仪器为：

SNC-I型金属材料表面机械研磨处理试验机，成都新晶格科技有限公司；

D/MAX 2550VB/PC型X射线衍射仪，日本理学株式会社；

NANO Indenter G200型纳米压痕仪，美国安捷伦科技公司；

Tecnai G²20型高分辨透射电子显微镜，美国FEI公司；

Quanta FEG450型扫描电子显微镜，美国FEI公司；

程序控温的热处理炉，上海晨华电炉有限公司。

实施例1

按照上述本发明的工艺方法对金属材料退火态纯Fe进行表面改性处理。

(1)将尺寸为80mm×80mm×8mm的纯Fe(≥99.96wt％)金属材料样品放入装有介质元素Cr粉末的密闭容器中进行SMAT处理，Cr粉末的颗粒直径为500nm，其加入量恰好使其没过密闭容器底部的不锈钢球，该不锈钢球的直径为8mm，纯Fe样品在真空环境中以50Hz频率进行表面机械研磨处理60分钟。

(2)随后将SMAT处理后的纯Fe样品在600℃下真空退火60分钟，使Cr元素向纯Fe表层内部进一步扩散。

成分分析表明，真空退火后Cr元素在纯Fe表层的扩散深度达18μm。经纳米压痕仪对纯Fe样品表层硬度进行测量，得到样品的表层硬度达3.9GPa，而纯Fe的硬度仅为1.9GPa，可见纯Fe金属材料的性能得到了极大的改善。

实施例2

按本发明的工艺方法对金属材料退火态45钢进行表面改性处理。

(1)将尺寸为80mm×80mm×8mm的45钢样品放入装有介质元素Cr粉末的密闭容器中进行SMAT处理，Cr粉末的颗粒直径为500nm，其加入量恰好使其没过密闭容器底部的不锈钢球，该不锈钢球的直径为8mm；45钢样品在真空环境中以50Hz频率进行SMAT处理60分钟。

(2)随后将SMAT处理后的45钢样品分别在300℃、400℃和500℃下真空退火30分钟。

XRD的物相分析表明，在400℃和500℃真空退火30min后，样品表层出现(Cr，Fe)₂₃C₆和(Cr，Fe)₇C₃新型金属化合物，使样品表层硬度达4.8GPa，而45钢退火态的硬度仅为2.1GPa。

实施例3

按本发明的工艺方法对退火态纯Ni进行表面改性处理。

(1)将尺寸为80mm×80mm×8mm的金属材料纯Ni(≥99.96wt％)样品放入装有超细介质元素Fe粉末的密闭容器中进行SMAT处理，加入量恰好使其没过密闭容器底部的不锈钢球，钢球直径为8mm；纯Ni样品在真空环境中以50Hz频率进行SMAT处理60min。

(2)随后将SMAT处理后的金属材料样品分别在450℃、550℃和650℃下真空退火30min。

XRD的物相分析表明，在550℃真空退火30min后，金属材料样品表层出现新型Ni-Fe合金相，而在650℃真空退火30min后，纯Ni相基本消失，金属材料样品表层全部变成Ni-Fe合金，样品表层硬度达5.3GPa，而纯Ni的硬度仅为1.8GPa。

本发明在金属材料的SMAT处理容器中加入一定量的超细金属粉末，在实现金属材料表面纳米化的同时通过合金元素的扩散对金属材料进行表面改性，然后对SMAT得到的表层扩散入合金元素的纳米晶金属材料样品进行退火处理，使金属元素进一步向材料内部扩散，增大渗层的深度，强化金属材料表面改性的效果。本发明通过在特定粉末中对金属材料进行表面机械研磨处理，利用了纳米材料的高扩散性能以及随后退火过程对扩散的促进作用，使金属材料达到表面改性的目的。本发明具有工艺简单、操作方便、节约成本的优点。

Claims

1.一种利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：将渗入介质元素粉末放入密闭容器内，在真空环境中，用超硬耐磨的不锈钢球对所述金属材料进行表面机械研磨处理，之后对经表面机械研磨处理的该金属材料进行真空退火处理。

2.根据权利要求1所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：所述渗入介质元素粉末为金属元素粉末。

4.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：所述渗入介质元素粉末的晶粒尺寸为500nm。

5.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：所述渗入介质元素粉末的加入量恰好使其没过密闭容器底部的不锈钢球。

6.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述表面机械研磨处理的振动频率为50Hz，时间为60分钟。

7.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：所述不锈钢球的直径为8mm。

8.根据权利要求2所述的利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述真空退火处理的温度为300℃～650℃，时间为30～60分钟。