[發明專利]一種金屬材料表面晶粒超細化的方法

有效

• 申請號: 202011461341.0
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112760594B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 張程菘;徐沁;陳大志;崔國棟
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C23C8/26
• 分類號: C23C8/26;C23C8/02;C21D1/18;C21D1/74
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄;廖祥文

本發明公開了一種金屬材料表面晶粒超細化的方法，包括步驟：滲氮階段、淬火階段、滲氮淬火階段，本發明共包含4個滲氮淬火循環，經過4次滲氮淬火后，材料表面晶粒細化至1μm以下，表面硬度明顯提高。本發明提出的是一種基于化學熱處理的細晶方法，豐富了現有的表面晶粒超細化技術，且該工藝過程簡單，參數易于控制，具有重要的工程應用價值。

技術領域

本發明涉及金屬表面晶粒細化技術領域，具體涉及一種金屬材料表面晶粒超細化的方法。

背景技術

金屬材料的大多數失效破壞方式都是從金屬表面開始的，因此優化表面的組織結構能有效增強材料的整體性能。作為金屬材料表面改性的手段之一，表面晶粒超細化技術應運而生，受到研究人員的廣泛關注。目前常采用劇烈塑性變形的方式實現金屬材料表層晶粒細化，主要包括表面機械研磨、高速噴丸以及激光沖擊強化等。其原理是在金屬表面施加載荷使其發生嚴重的塑性變形，同時組織內部的缺陷大量增殖，形成亞結構或發生再結晶，從而實現晶粒納米級細化。然而，該方法制備納米晶的熱穩定性是主要問題，可能會限制其在高溫下以及后續熱處理過程中的廣泛應用。

對于鋼鐵材料而言，簡單的熱循環就能細化晶粒。將材料快速加熱至奧氏體化溫度，并在奧氏體晶粒開始長大前進行淬火，通過反復快速加熱淬火便可使奧氏體晶粒逐漸細化。這種技術要求加熱速度和冷卻速度都要快，常采用火焰加熱、電接觸加熱、感應加熱等方式實現快速加熱循環淬火。然而，快速加熱會導致奧氏體化不充分，組織不均勻等問題，且單一的循環淬火工藝的晶粒細化效果有限，一般經過3-4次循環處理后僅實現微米級晶粒細化,因此亟需提供一種新的思路和方法來實現表面晶粒超細化.

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種金屬材料表面晶粒超細化的方法，解決了上述背景技術中提到的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種金屬材料表面晶粒超細化的方法，具體步驟如下：

S1、滲氮階段，將表面預處理的金屬材料樣品放入真空管式爐中，爐內氣壓保持在0.05-0.1MPa，真空管式爐以20℃/min的升溫速率加熱到550℃后保溫，升溫的同時通入滲氮氣體氨氣；

S2、淬火階段，完成步驟S1后再以20℃/min的升溫速率將爐內溫度升至750-900℃，保溫10min后將樣品置入淬火油中快速冷卻至室溫，升溫和保溫過程中爐內壓力和氨氣流量與步驟S1中保持一致；

S3、將淬火后的樣品取出，使用無水乙醇清潔表面油漬；

S4、所述S1-S3的步驟為一個滲氮淬火循環周期，再次重復S1-S3的步驟3次，共計4個滲氮淬火循環周期，即完成對金屬材料表面晶粒的超細化處理。

優選的，所述步驟S1中金屬材料樣品表面預處理的方法為：將所述金屬材料樣品分別用240目、400目水磨砂紙進行逐次打磨，然后于頻率為40Hz的條件下超聲清洗10min，冷風干燥。

優選的，所述步驟S1中的保溫及滲氮的時間為2h。

優選的，所述步驟S1中通入滲氮氣體氨氣的氣體流量為0.5L/min。

優選的，所述步驟S2中以20℃/min的升溫速率將爐內溫度升至750℃。

本發明的有益效果是：

1.本發明共包含4個滲氮淬火循環，經過4次滲氮淬火后，能將材料表面晶粒細化至0.5μm，材料表面硬度提升至541Hv0.05。