[发明专利]一种金属材料表面纳米化的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及金属材料纳米化技术，具体为一种金属材料表面纳米化的方法。

背景技术：

大多数材料的失稳始于其表面，因此可以通过材料的表面改性来提高材料的整体力学性能和环境服役行为。表面纳米化是一种有效的表面改性技术。目前，实现金属材料表面纳米化的方法主要是严重塑性变形法，如：表面机械研磨，喷丸等。这些技术都是利用球形弹丸连续高速地撞击材料表面，从而会污染表面，并产生较大的表面粗糙度。

近年来，人们发现利用脉冲电流处理薄片状金属材料可以细化其组织，并且处理后的材料孔隙少，缺陷少，而且无污染。由于高频脉冲电流本身具有趋肤效应，从而使这种方法更适于对金属材料进行表面处理。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种金属材料表面纳米化的方法。经过本方法处理后，在金属材料表面可形成纳米晶，并且此方法操作简单，效率高，成本低。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：处理方法为脉冲电流表面处理。脉冲电流的放电周期1μs～1000μs，最大峰值电流密度10³～10⁵A/mm²，单个脉冲的持续时间1μs～10000μs，脉冲电流处理的时间为单个脉冲的持续时间。本发明提供的金属材料表面纳米化的方法，其脉冲电流较佳参数为：放电周期50μs～500μs，最大峰值电流密度6×10³～5×10⁴A/mm²，单个脉冲的持续时间200μs～2500μs。

本发明的原理是：利用脉冲电流处理产生的焦耳热效应，使被处理材料的温度超过内部组织的相变温度，使其发生相变，温升公式为ΔT=∫0∞j2(t)ρdtcpd,]]>j(t)为在t时刻的电流密度，ρ为电阻率，c_p为比热，d为样品的密度。由于脉冲电流具有趋肤效应，因而样品的表面和心部的电流密度分布不均匀，电流密度的分布可由公式j_x＝j₀exp(-x/δ)表示，其中j_x是距离表面为x深度处的电流密度，j₀是表面的电流密度，x是距表面的距离，δ是趋肤深度，δ可由公式δ＝(ρ/πfμ₀μ_r)^1/2表示，其中ρ为电阻率，f为电流频率，μ₀为真空磁导率，μ_r为相对磁导率。所以样品表面的电流密度最大，温度最高，随着距离表面深度的增加，电流密度和温度都逐渐降低，从而使样品的表面发生相变，心部不能发生相变。在相变过程中脉冲电流还具有提高高电导相形核率的效应，并且形核率随电流密度的增加而提高，使得样品的表面形核率最大，且形核率随距离表面深度的增加而降低，又由于冷却速率随距离表面深度的增加而降低，因此在样品的表面形成纳米晶，随距离表面深度的增加，晶粒尺寸逐渐长大。所以利用本发明可以在能发生相变的金属材料表面得到纳米晶层。本发明处理方法主要适用于各种钢、铁、铜合金、钛合金等金属材料。

本发明具有如下优点：

1.本发明可以有效地降低金属材料表面层的晶粒尺寸，在金属材料表面层形成一层与基体化学成分相同、平均晶粒尺寸在10-30纳米左右的显微组织，在纳米层向下分别是亚微米层、微米层和基体。

2.利用本发明处理的材料表面无污染，无较大的表面粗糙度。并且操作简单，周期短，效率高，成本低，便于推广应用。

附图说明：

图1为脉冲电流处理过程的装置示意图。

图2为处理试样所用脉冲电流的波形图。

图3为实施例1试样经处理后的表面透射电镜明场像。

图4为实施例1试样经处理后的表面透射电镜暗场像。