[发明专利]一种金属材料表面晶粒超细化的方法

说明书

本发明公开了一种金属材料表面晶粒超细化的方法，包括步骤：渗氮阶段、淬火阶段、渗氮淬火阶段，本发明共包含4个渗氮淬火循环，经过4次渗氮淬火后，材料表面晶粒细化至1μm以下，表面硬度明显提高。本发明提出的是一种基于化学热处理的细晶方法，丰富了现有的表面晶粒超细化技术，且该工艺过程简单，参数易于控制，具有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及金属表面晶粒细化技术领域，具体涉及一种金属材料表面晶粒超细化的方法。

背景技术

金属材料的大多数失效破坏方式都是从金属表面开始的，因此优化表面的组织结构能有效增强材料的整体性能。作为金属材料表面改性的手段之一，表面晶粒超细化技术应运而生，受到研究人员的广泛关注。目前常采用剧烈塑性变形的方式实现金属材料表层晶粒细化，主要包括表面机械研磨、高速喷丸以及激光冲击强化等。其原理是在金属表面施加载荷使其发生严重的塑性变形，同时组织内部的缺陷大量增殖，形成亚结构或发生再结晶，从而实现晶粒纳米级细化。然而，该方法制备纳米晶的热稳定性是主要问题，可能会限制其在高温下以及后续热处理过程中的广泛应用。

对于钢铁材料而言，简单的热循环就能细化晶粒。将材料快速加热至奥氏体化温度，并在奥氏体晶粒开始长大前进行淬火，通过反复快速加热淬火便可使奥氏体晶粒逐渐细化。这种技术要求加热速度和冷却速度都要快，常采用火焰加热、电接触加热、感应加热等方式实现快速加热循环淬火。然而，快速加热会导致奥氏体化不充分，组织不均匀等问题，且单一的循环淬火工艺的晶粒细化效果有限，一般经过3-4次循环处理后仅实现微米级晶粒细化,因此亟需提供一种新的思路和方法来实现表面晶粒超细化.

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种金属材料表面晶粒超细化的方法，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属材料表面晶粒超细化的方法，具体步骤如下：

S1、渗氮阶段，将表面预处理的金属材料样品放入真空管式炉中，炉内气压保持在0.05-0.1MPa，真空管式炉以20℃/min的升温速率加热到550℃后保温，升温的同时通入渗氮气体氨气；

S2、淬火阶段，完成步骤S1后再以20℃/min的升温速率将炉内温度升至750-900℃，保温10min后将样品置入淬火油中快速冷却至室温，升温和保温过程中炉内压力和氨气流量与步骤S1中保持一致；

S3、将淬火后的样品取出，使用无水乙醇清洁表面油渍；

S4、所述S1-S3的步骤为一个渗氮淬火循环周期，再次重复S1-S3的步骤3次，共计4个渗氮淬火循环周期，即完成对金属材料表面晶粒的超细化处理。

优选的，所述步骤S1中金属材料样品表面预处理的方法为：将所述金属材料样品分别用240目、400目水磨砂纸进行逐次打磨，然后于频率为40Hz的条件下超声清洗10min，冷风干燥。

优选的，所述步骤S1中的保温及渗氮的时间为2h。

优选的，所述步骤S1中通入渗氮气体氨气的气体流量为0.5L/min。

优选的，所述步骤S2中以20℃/min的升温速率将炉内温度升至750℃。

本发明的有益效果是：

1.本发明共包含4个渗氮淬火循环，经过4次渗氮淬火后，能将材料表面晶粒细化至0.5μm，材料表面硬度提升至541Hv0.05。