[发明专利]一种在亚稳定态奥氏体不锈钢棒材表层形成梯度纳米组织的方法、不锈钢棒材

说明书

本发明涉及一种在亚稳定态奥氏体不锈钢棒材表层形成梯度纳米组织的方法，不锈钢棒材，属于金属材料加工技术领域。本发明在亚稳定态奥氏体不锈钢棒材表层形成梯度纳米组织的方法，包括将亚稳定态奥氏体不锈钢棒材降温至‑70℃以下进行扭转变形使其发生形变诱导马氏体相变，即得。本发明采用双向扭转变形的方法，促使亚稳定态奥氏体不锈钢棒材在低温下，表层由于形变诱导马氏体相变形成梯度纳米组织，扭转后的棒材从表面至心部分别为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及原始粗大晶粒组织。本发明具有在低温环境下，装置简单，操作方便快捷，纳米组织晶粒尺寸可控，对材料表面粗糙度影响较小等优点。

技术领域

本发明涉及一种在亚稳定态奥氏体不锈钢棒材表层形成梯度纳米组织的方法、不锈钢棒材，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

材料的许多性能随结构单元特征尺度变化而变化，当金属材料的结构单元尺度降低到纳米量级时，其性能变化十分显著。梯度纳米结构是指金属构件的微观组织尺寸沿着某个方向呈现出从纳米到微米尺度依次梯度分布的特征。梯度纳米结构材料的主要性能特点有高的表层硬度梯度与耐磨性，良好的强度-塑性匹配关系，能够改善材料的表面变形粗糙度和深加工性能。梯度纳米结构可以分为四种类型，依次为梯度纳米晶粒结构，梯度纳米孪晶结构，梯度纳米片层结构，梯度纳米柱状结构，不同的梯度结构决定了材料不同的性能梯度。

目前梯度纳米结构材料的制备方法主要包括两大类，第一类为表面涂层或沉积技术，典型的有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溅射镀膜、电镀和喷涂等，这类方法制备的纳米结构层与基体之间的结合力较弱，使用过程中容易脱落，而且还存在设备投资大、成本高等缺点；第二类方法为机械表面纳米化，通过在金属表面产生强烈的塑性变形，从而细化组织。主要技术有：高能喷丸、超声喷丸、表面机械研磨处理、滚压、旋转摩擦压入，摩擦滚压、搅拌摩擦变形、高速塑性变形等。

经过对现有文献的检索发现，授权公告号为CN102643966B的中国发明专利公开了一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，该方法是利用一种硬质合金球在轴类金属材料表层通过塑性变形从而形成纳米梯度组织的表面处理方法，该方法是采用球形处理刀具在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时球形处理刀具沿被处理工件轴向运动，通过在材料表层产生塑性变形的处理方法，通过强烈的塑性变形，使被处理工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米材料。该方法优点是解决现有技术中存在的被处理材料表面粗糙度较大、表面光洁度不好、工件表面难以形成纳米晶体结构等问题，缺点是对材料损伤过且加工过程复杂等。

授权公告号为CN102816912B中国发明专利公开了一种在金属材料表面制备具有梯度纳米组织结构的方法，该方法是通过大应变的塑性变形的方法来实施的，首先将被加工的板材工件置于冷却槽内，利用卡具将工件夹紧，将工具头的下端面置于工件表面并压入工件的表面，然后向冷却槽内灌入冷却介质，待工件的温度达到冷却介质的温度后，工具头按一定的转速旋转，同时工作台按一定的速度水平移动，这样就完成一次高硬度的工具头端面在高速旋转过程中对工件表面产生高应变速率、大应变的剪切变形的处理，利用此高速剪切变性技术，对工件表面进行多次变形处理。该方法的特点是加工效率高，工艺简单，适用性强等特点，缺点是设备要求高，对材料损伤严重，表面光洁度不好等。

授权公告号为CN1000415903C的中国发明专利公开了一种金属表面纳米化的方法，该方法是将刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。该方法工艺简单，设备经济，易于实现，但对材料损伤严重。

授权公告号为CN101445862B的中国发明专利公开了一种摩擦滚压制备金属表面纳米层的方法，该方法是采用支架和圆形的刚性滚轮对金属材料表面施加一个压应力，支架带动滚轮在金属表面上滚压，滚轮的速度由支架控制，支架移动的速度与滚轮滚压面的线速度不同，存在的速度差使得金属表面不但受到压应力还受到剪切应力的作用，使金属材料表面产生剧烈塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。该发明优点是工艺简单，设备经济，缺点是装置比较复杂，对材料损伤严重。