專利名稱：一種實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法
技術領域：
本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法。
背景技術：
脈沖高能束流金屬材料表面改性技術是當前表面技術領域的一個新發展趨勢，具有傳統表面處理所不具有的很多優勢。利用強流脈沖電子束進行材料表面改性是近十幾年發展起來的一門新興技術，其特點是設備簡單、操作可靠。脈沖電子束與材料表層作用的瞬時能量高、作用時間短、改性層深，因此已經被用于材料的表面強化、表面清洗及表面合金化等方面，具有廣闊的應用前景。日本日新公司正在將這種技術推向市場，其主要應用范圍目前集中在模具的拋光和強化方面。脈沖束流的瞬態能量沉積過程可以引發材料表層的快速熔凝及蒸發、熱擊波、能量膨脹、增強擴散等效應，這些效應可以使材料表面獲得常規熱處理方法無法達到的結構和性能。近年來，微納米材料的研究一直是材料學界的熱點之一。由高密度晶界所帶來的界面效應和超細晶的尺寸效應使微納米材料表現出與常規材料截然不同的物理和化學性能，因而在發展高性能材料方面具有廣闊的應用前景。盡管目前已經發展出多種微納米材料制備方法，例如金屬蒸發冷凝-冷壓成型法，大塑性變形法，電解沉積法，非晶晶化法等， 獲得界面潔凈、高致密度的塊體微納米材料仍然難度很大成本很高，還不具備工業實用性。 這也是阻礙微納米材料應用的難點之一。實際的工程材料在使用過程中，失效往往發生在表面，例如磨損、腐蝕、疲勞等，因而材料的使用性能和壽命與其表層結構和性能密切相關。 如果能夠將材料表面微納米化，則既可以利用微納米材料的優異性能來提高材料的整體使用性，又可以降低生成塊體納米材料所需的成本。已經發展出的一些表面納米化技術，例如超聲噴丸技術，可在多種金屬材料表層生成納米層從而獲得高硬度、耐磨性更好的表面。但超聲噴丸法是基于大塑性變形原理來細化晶粒的，因此生成的納米層表面粗糙度較大且內應力較高而易于剝落，從而不利于材料的耐腐蝕性能。利用強流脈沖電子束對材料表面晶粒超細化有望消除以上不利因素，在超細化的同時獲得綜合性能更好的微納米表層。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種快速有效地實現材料表層晶粒超細化的方法，本發明所提供的方法可用于不銹鋼、工具鋼、磨具鋼、醫用合金材料表面的微納米化，且節能無污染。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案一種實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法，包括以下步驟(1)將金屬基體冷軋處理，表面拋光至粗糙度0. 06 0. 08 μ m,清洗；(2)將經步驟(1)處理的金屬基體放入強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10_3 10_4Pa，在加速電壓為15 25kV條件下采用脈沖電子束對金屬基體表面進行轟擊處理，轟擊次數為2 30次，每次脈沖的時間間隔約為5 20s。本發明通過結合冷軋變形前處理與脈沖電子束對形變材料表層超快速退火實現了細化金屬表層晶粒尺寸，經上述方案處理后的材料表面潔凈，不含氧化物雜質，表面晶粒尺寸在100到500納米之間可控，綜合性能優良。
圖1為實施例1中45#碳鋼經40%冷軋后再用脈沖電子束處理后的表面形貌圖， 圖像由JE0L-6500F掃描電鏡得到。圖2為實施例2中316L不銹鋼經50 %冷軋再用脈沖電子束處理后的表面形貌圖， 圖像由JE0L-6500F掃描電鏡得到。圖3為實施例3中NiTi合金經35%冷軋后再用脈沖電子束處理后的表面背散射衍射形貌圖，圖像由JE0L-6500F掃描電鏡得到。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。本發明利用俄羅斯Nadezhda-2強流脈沖電子束(HCPEB)源來處理金屬基體，它能產生低能(10 40keV)、強流(IO3 IOVcm2)、短脈沖(O 1 μ s)、高能量密度(1 6J/ cm2)的電子束。該電子束是由石墨陰極爆炸發射產生，電子束能量密度由加速電壓、磁場強度和靶源距離控制。實施例1本實施例選取典型的、用途廣泛的亞共析45#碳鋼為研究材料，其化學成分為C 0. 4 0. 5wt/%,Si 彡 0. 35wt/%,Mn 彡 0. 40wt/%,S 彡 0. 030wt/%,P 彡 0. 035wt/%, 其余為鐵。將樣品經過常規淬火和回火處理(加熱到780°C保溫30min，水淬，200°C回火5小時)后，加工成15mmX IOmmX 5mm的試樣，在軋機上冷軋30% 50%后再進行機械磨削并拋光至粗糙度Ra ^O. 07 μ m，用丙酮清洗；將試樣置于上述強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10_3 ，然后進行電子束轟擊處理，處理參數如下加速電壓18 25kV，靶源距離80 160mm，磁場強度800 12000e，能量密度3 5J/cm2，脈沖次數2 25次，每次脈沖的時間間隔約為5 20s。圖1為試樣經過5次脈沖處理后的表面形貌，可以明顯看到表面晶粒尺寸在 IOOnm 150nm之間，平均尺寸約為120歷。對試樣進行摩擦磨損測試顯示，經過脈沖電子束表面處理后的試樣相對于未處理試樣耐磨性提高2倍以上。實施例2本實施例選取一種典型的醫用金屬材料316L不銹鋼為研究材料，其化學成分為 C 0. 02wt%, Cr 16 18wt%，Ni :12 15wt%，Mn :1. 63wt%, Mo :2wt%, Si 0. 41wt%, P 0. 02wt%, S :0. 03wt%，其余為鐵。將316L鋼樣品制成20 X 10 X 4mm薄片，在軋機上冷軋40 % 60 %，表面經過打磨、拋光至粗糙度Ra ^O. 07 μ m,丙酮清洗；將試樣置于上述強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10_3 10’a，然后進行電子束轟擊處理，處理參數如下加速電壓20 25kV，，靶源距離80 160mm，磁場強度800 12000e，能量密度2 4J/cm2，脈沖次數2 25次，每次脈沖的時間間隔約為5 20s。圖2為316L不銹鋼鋼樣品經過10次脈沖處理后的表面形貌，可以明顯看到表面生成了尺寸均勻的細小晶粒，平均晶粒尺寸為470nm。實施例3本實施例選取一種典型的、用途廣泛的醫用合金材料MTi合金為研究材料，其化學成分為 Ni 50. 6wt%, Ti :49. 4wt%。將NiTi合金樣品制成20 X 10 X 4mm薄片，在軋機上冷軋40 % 60 %，經過表面打磨、拋光至粗糙度Ra ^ 0. 07m，用丙酮清洗；將試樣置于上述強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10_3 ，然后進行電子束轟擊處理，處理參數如下加速電壓18 23kV，靶源距離80 160mm，磁場強度800 12000e，能量密度2 4J/cm2，脈沖次數2 20次，每次脈沖的時間間隔約為5 20s。圖3為NiTi合金樣品經過5次脈沖處理后的表面背散射衍射形貌，可以明顯看到表面有生成了尺寸均勻的細小晶粒，平均晶粒尺寸為290nm。通過上述實施例進一步發現當脈沖電子束的能量密度為2 4J/cm2，每次脈沖持續時間為ι μ S，轟擊次數為2 10次，每次脈沖的時間間隔為10 15s時，金屬基體表面的微納米化效果最好。上述實施例應理解為僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。在閱讀了本發明記載的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的范圍。
權利要求
1.一種實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法，包括以下步驟(1)將金屬基體冷軋處理，表面拋光至粗糙度0.06 0. 08 μ m,清洗；(2)將經步驟(1)處理的金屬基體放入強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10_3 10_4Pa，采用能量密度為2 4J/cm2的脈沖電子束對金屬基體表面進行轟擊處理，每次脈沖持續0. 5 1 μ s，轟擊次數為2 30次，每次脈沖的時間間隔約為5 20s。
2.權利要求1所述的實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法，其特征在于，脈沖電子束的能量密度為2 4J/cm2，每次脈沖持續時間為1 μ s，轟擊次數為2 10次，每次脈沖的時間間隔為10 15s。
3.權利要求1或2所述的實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法，其特征在于，所述金屬基體包括45#碳鋼、316L不銹鋼和NiTi合金。
全文摘要
本發明公開了一種實現金屬材料表層晶粒微納米化的方法，包括以下步驟(1)將金屬基體冷軋處理，表面拋光至粗糙度0.06～0.08μm，清洗；(2)將經步驟(1)處理的金屬基體放入強流脈沖電子束裝置中，抽真空至10-3～10-4Pa，采用能量密度為2～4J/cm2的脈沖電子束對金屬基體表面進行轟擊處理，每次脈沖持續0.5～1μs，轟擊次數為2～30次，每次脈沖的時間間隔約為5～20s。本發明利用脈沖電子束對形變材料表面快速回火這一特性來細化金屬表層晶粒，使表層晶粒尺寸降低到100～500nm，從而獲得了優良的表面性能。
文檔編號C21D8/00GK102560042SQ20121000971
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者張可敏, 鄒建新 申請人:上海工程技術大學