[发明专利]利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法

说明书

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：