[發明專利]利用表面機械研磨處理對金屬材料進行表面改性的方法

無效

• 申請號: 201210051784.1
• 申請日: 2012-03-01
• 公開（公告）號: CN102560508A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李偉;劉平;馬鳳倉;劉新寬;陳小紅;何代華
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C23C10/28;C23C10/32;C23C10/30;C23C10/60;C21D1/26;C21D1/773;C21D7/06
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發明涉及一種對金屬材料進行表面改性的方法，可提高金屬材料的表面性能，屬于材料表面處理技術領域。

背景技術

上世紀末，中國科學院金屬研究所的盧柯院士和法國特魯瓦技術大學的呂堅教授共同提出了表面機械研磨處理技術(Surface?Mechanical?Attrition?Treatment，縮寫SMAT)，用于實現金屬材料的表面納米化。表面機械研磨處理的原理類似于高速噴丸，其設備包括兩部分：振動發生器以及用于盛放撞擊彈丸、固定金屬樣品的容器。SMAT處理的過程為：將彈丸放在由振動發生器驅動的密閉容器內，被處理金屬材料固定在容器頂部，處理時通過振動發生器的驅動，容器內彈丸產生共振，并連續不斷的高速撞擊金屬材料表面，每一次撞擊都導致材料表層發生塑性變形，經過連續多方向高速的撞擊，金屬材料表層產生劇烈塑性變形，致使表層晶粒細化至納米量級。SMAT技術從開始提出，就引起國內外材料科學領域的廣泛關注，該技術從開始發展至今十多年的時間，已廣泛應用于多種金屬材料的納米晶表層的制備，如Al、Ti、Co、Cu、Fe、Fe-30wt.％Ni合金、304和316L不銹鋼等。

金屬材料經SMAT處理后可獲得約50μm厚的納米晶表層，納米晶表層內高體積分數的晶界為原子擴散提供了理想的通道，可以大幅度地提高合金元素的滲入濃度和深度，并能降低化學熱處理溫度和減少處理時間。比如，盧柯課題組報道了純Fe經SMAT處理后，滲氮溫度從550℃降低到300℃，具有廣闊的工業應用前景，這項工作發表在2003年的《Science》上；王鎮波等發現純Fe經SMAT處理后表層具有非常高的滲Cr特性，Cr原子在納米晶表層的擴散系數分別比Fe的晶格擴散系數和晶界擴散系數高7-9和4-5個數量級；中科院蘭州化學物理研究所薛群基院士的研究小組報道了對SMAT處理的AISI?321不銹鋼進行等離子滲氮的研究，發現SMAT處理顯著增強了不銹鋼的滲氮效果，并有效地降低了滲氮溫度；隨后，王鎮波等又報道了室溫下對SMAT處理后的納米晶Cu中進行Ni的擴散研究，發現其擴散系數比沿傳統大角晶界進行擴散的系數高約六個數量級。另外，還有其它許多關于SMAT處理促進材料表面化學熱處理的研究報道，均取得了非常好的改善效果。

然而，上述報道均是利用SMAT技術首先在金屬表面制備出納米晶表層，然后再在特定的介質中進行熱處理(化學熱處理)，從而使介質元素擴散入納米晶表層以達到表面改性的目的。這種工藝雖然相比粗晶金屬材料能達到更好的表面改性效果，但是后續的化學熱處理需在特定介質中實現，所以該工藝存在工藝復雜、成本較高等缺點。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種利用表面機械研磨處理對金屬材料進行表面改性的方法，在表面機械研磨處理的容器中，加入滲入介質元素的超細粉體，使之在表面機械研磨處理過程中以及之后的熱處理過程中更充分地滲入被處理金屬材料的表層內，以起到強化表面改性效果的作用，進一步提高被處理材料的性能。

本發明是通過以下技術方案來解決其技術問題的：

一種利用表面機械研磨處理對金屬材料進行表面改性的方法，其特征在于：將滲入介質元素粉末放入密閉容器內，在真空環境中，用超硬耐磨的不銹鋼球對所述金屬材料進行表面機械研磨處理，之后對經表面機械研磨處理的該金屬材料進行真空退火處理。

本發明所述的利用表面機械研磨處理對金屬材料進行表面改性的方法，其具體步驟如下：

(1)在密閉容器內放入一定量的超細的滲入介質元素粉末，并將之平鋪在所述密閉容器的底部，該密閉容器內的頂部固定被處理的金屬材料，底部放置超硬耐磨的不銹鋼球，然后在真空環境中對所述金屬材料進行表面機械研磨處理；

(2)將經表面機械研磨處理后的金屬材料在不同溫度下進行真空退火處理。

在所述的利用表面機械研磨處理對金屬材料進行表面改性的方法中，所述滲入介質元素粉末為金屬元素粉末，晶粒尺寸為500nm，其加入量恰好使其沒過密閉容器底部的不銹鋼球；該不銹鋼球的直徑為8mm；步驟(1)中，所述表面機械研磨處理的振動頻率為50Hz，時間為60分鐘，步驟(2)中，所述真空退火處理的溫度為300℃～650℃，時間為30～60分鐘。

本發明的有益技術效果：