[發(fā)明專利]一種金屬材料表面納米化的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710010340.2
• 申請日: 2007-02-09
• 公開（公告）號: CN101240370A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜曉寧;郭敬東;王寶全
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及金屬材料納米化技術(shù)，具體為一種金屬材料表面納米化的方法。

背景技術(shù)：

大多數(shù)材料的失穩(wěn)始于其表面，因此可以通過材料的表面改性來提高材料的整體力學性能和環(huán)境服役行為。表面納米化是一種有效的表面改性技術(shù)。目前，實現(xiàn)金屬材料表面納米化的方法主要是嚴重塑性變形法，如：表面機械研磨，噴丸等。這些技術(shù)都是利用球形彈丸連續(xù)高速地撞擊材料表面，從而會污染表面，并產(chǎn)生較大的表面粗糙度。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用脈沖電流處理薄片狀金屬材料可以細化其組織，并且處理后的材料孔隙少，缺陷少，而且無污染。由于高頻脈沖電流本身具有趨膚效應(yīng)，從而使這種方法更適于對金屬材料進行表面處理。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種金屬材料表面納米化的方法。經(jīng)過本方法處理后，在金屬材料表面可形成納米晶，并且此方法操作簡單，效率高，成本低。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：處理方法為脈沖電流表面處理。脈沖電流的放電周期1μs～1000μs，最大峰值電流密度10³～10⁵A/mm²，單個脈沖的持續(xù)時間1μs～10000μs，脈沖電流處理的時間為單個脈沖的持續(xù)時間。本發(fā)明提供的金屬材料表面納米化的方法，其脈沖電流較佳參數(shù)為：放電周期50μs～500μs，最大峰值電流密度6×10³～5×10⁴A/mm²，單個脈沖的持續(xù)時間200μs～2500μs。

本發(fā)明的原理是：利用脈沖電流處理產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)，使被處理材料的溫度超過內(nèi)部組織的相變溫度，使其發(fā)生相變，溫升公式為ΔT=∫0∞j2(t)ρdtcpd,]]>j(t)為在t時刻的電流密度，ρ為電阻率，c_p為比熱，d為樣品的密度。由于脈沖電流具有趨膚效應(yīng)，因而樣品的表面和心部的電流密度分布不均勻，電流密度的分布可由公式j(luò)_x＝j(luò)₀exp(-x/δ)表示，其中j_x是距離表面為x深度處的電流密度，j₀是表面的電流密度，x是距表面的距離，δ是趨膚深度，δ可由公式δ＝(ρ/πfμ₀μ_r)^1/2表示，其中ρ為電阻率，f為電流頻率，μ₀為真空磁導率，μ_r為相對磁導率。所以樣品表面的電流密度最大，溫度最高，隨著距離表面深度的增加，電流密度和溫度都逐漸降低，從而使樣品的表面發(fā)生相變，心部不能發(fā)生相變。在相變過程中脈沖電流還具有提高高電導相形核率的效應(yīng)，并且形核率隨電流密度的增加而提高，使得樣品的表面形核率最大，且形核率隨距離表面深度的增加而降低，又由于冷卻速率隨距離表面深度的增加而降低，因此在樣品的表面形成納米晶，隨距離表面深度的增加，晶粒尺寸逐漸長大。所以利用本發(fā)明可以在能發(fā)生相變的金屬材料表面得到納米晶層。本發(fā)明處理方法主要適用于各種鋼、鐵、銅合金、鈦合金等金屬材料。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明可以有效地降低金屬材料表面層的晶粒尺寸，在金屬材料表面層形成一層與基體化學成分相同、平均晶粒尺寸在10-30納米左右的顯微組織，在納米層向下分別是亞微米層、微米層和基體。

2.利用本發(fā)明處理的材料表面無污染，無較大的表面粗糙度。并且操作簡單，周期短，效率高，成本低，便于推廣應(yīng)用。

附圖說明：

圖1為脈沖電流處理過程的裝置示意圖。

圖2為處理試樣所用脈沖電流的波形圖。

圖3為實施例1試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡明場像。

圖4為實施例1試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡暗場像。