专利名称：一种实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法
技术领域：
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法。
背景技术：
脉冲高能束流金属材料表面改性技术是当前表面技术领域的一个新发展趋势，具有传统表面处理所不具有的很多优势。利用强流脉冲电子束进行材料表面改性是近十几年发展起来的一门新兴技术，其特点是设备简单、操作可靠。脉冲电子束与材料表层作用的瞬时能量高、作用时间短、改性层深，因此已经被用于材料的表面强化、表面清洗及表面合金化等方面，具有广阔的应用前景。日本日新公司正在将这种技术推向市场，其主要应用范围目前集中在模具的抛光和强化方面。脉冲束流的瞬态能量沉积过程可以引发材料表层的快速熔凝及蒸发、热击波、能量膨胀、增强扩散等效应，这些效应可以使材料表面获得常规热处理方法无法达到的结构和性能。近年来，微纳米材料的研究一直是材料学界的热点之一。由高密度晶界所带来的界面效应和超细晶的尺寸效应使微纳米材料表现出与常规材料截然不同的物理和化学性能，因而在发展高性能材料方面具有广阔的应用前景。尽管目前已经发展出多种微纳米材料制备方法，例如金属蒸发冷凝-冷压成型法，大塑性变形法，电解沉积法，非晶晶化法等， 获得界面洁净、高致密度的块体微纳米材料仍然难度很大成本很高，还不具备工业实用性。 这也是阻碍微纳米材料应用的难点之一。实际的工程材料在使用过程中，失效往往发生在表面，例如磨损、腐蚀、疲劳等，因而材料的使用性能和寿命与其表层结构和性能密切相关。 如果能够将材料表面微纳米化，则既可以利用微纳米材料的优异性能来提高材料的整体使用性，又可以降低生成块体纳米材料所需的成本。已经发展出的一些表面纳米化技术，例如超声喷丸技术，可在多种金属材料表层生成纳米层从而获得高硬度、耐磨性更好的表面。但超声喷丸法是基于大塑性变形原理来细化晶粒的，因此生成的纳米层表面粗糙度较大且内应力较高而易于剥落，从而不利于材料的耐腐蚀性能。利用强流脉冲电子束对材料表面晶粒超细化有望消除以上不利因素，在超细化的同时获得综合性能更好的微纳米表层。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种快速有效地实现材料表层晶粒超细化的方法，本发明所提供的方法可用于不锈钢、工具钢、磨具钢、医用合金材料表面的微纳米化，且节能无污染。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法，包括以下步骤(1)将金属基体冷轧处理，表面抛光至粗糙度0. 06 0. 08 μ m,清洗；(2)将经步骤(1)处理的金属基体放入强流脉冲电子束装置中，抽真空至10_3 10_4Pa，在加速电压为15 25kV条件下采用脉冲电子束对金属基体表面进行轰击处理，轰击次数为2 30次，每次脉冲的时间间隔约为5 20s。本发明通过结合冷轧变形前处理与脉冲电子束对形变材料表层超快速退火实现了细化金属表层晶粒尺寸，经上述方案处理后的材料表面洁净，不含氧化物杂质，表面晶粒尺寸在100到500纳米之间可控，综合性能优良。
图1为实施例1中45#碳钢经40%冷轧后再用脉冲电子束处理后的表面形貌图， 图像由JE0L-6500F扫描电镜得到。图2为实施例2中316L不锈钢经50 %冷轧再用脉冲电子束处理后的表面形貌图， 图像由JE0L-6500F扫描电镜得到。图3为实施例3中NiTi合金经35%冷轧后再用脉冲电子束处理后的表面背散射衍射形貌图，图像由JE0L-6500F扫描电镜得到。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。本发明利用俄罗斯Nadezhda-2强流脉冲电子束(HCPEB)源来处理金属基体，它能产生低能(10 40keV)、强流(IO3 IOVcm2)、短脉冲(O 1 μ s)、高能量密度(1 6J/ cm2)的电子束。该电子束是由石墨阴极爆炸发射产生，电子束能量密度由加速电压、磁场强度和靶源距离控制。实施例1本实施例选取典型的、用途广泛的亚共析45#碳钢为研究材料，其化学成分为C 0. 4 0. 5wt/%,Si 彡 0. 35wt/%,Mn 彡 0. 40wt/%,S 彡 0. 030wt/%,P 彡 0. 035wt/%, 其余为铁。将样品经过常规淬火和回火处理(加热到780°C保温30min，水淬，200°C回火5小时)后，加工成15mmX IOmmX 5mm的试样，在轧机上冷轧30% 50%后再进行机械磨削并抛光至粗糙度Ra ^O. 07 μ m，用丙酮清洗；将试样置于上述强流脉冲电子束装置中，抽真空至10_3 ，然后进行电子束轰击处理，处理参数如下加速电压18 25kV，靶源距离80 160mm，磁场强度800 12000e，能量密度3 5J/cm2，脉冲次数2 25次，每次脉冲的时间间隔约为5 20s。图1为试样经过5次脉冲处理后的表面形貌，可以明显看到表面晶粒尺寸在 IOOnm 150nm之间，平均尺寸约为120歷。对试样进行摩擦磨损测试显示，经过脉冲电子束表面处理后的试样相对于未处理试样耐磨性提高2倍以上。实施例2本实施例选取一种典型的医用金属材料316L不锈钢为研究材料，其化学成分为 C 0. 02wt%, Cr 16 18wt%，Ni :12 15wt%，Mn :1. 63wt%, Mo :2wt%, Si 0. 41wt%, P 0. 02wt%, S :0. 03wt%，其余为铁。将316L钢样品制成20 X 10 X 4mm薄片，在轧机上冷轧40 % 60 %，表面经过打磨、抛光至粗糙度Ra ^O. 07 μ m,丙酮清洗；将试样置于上述强流脉冲电子束装置中，抽真空至10_3 10’a，然后进行电子束轰击处理，处理参数如下加速电压20 25kV，，靶源距离80 160mm，磁场强度800 12000e，能量密度2 4J/cm2，脉冲次数2 25次，每次脉冲的时间间隔约为5 20s。图2为316L不锈钢钢样品经过10次脉冲处理后的表面形貌，可以明显看到表面生成了尺寸均勻的细小晶粒，平均晶粒尺寸为470nm。实施例3本实施例选取一种典型的、用途广泛的医用合金材料MTi合金为研究材料，其化学成分为 Ni 50. 6wt%, Ti :49. 4wt%。将NiTi合金样品制成20 X 10 X 4mm薄片，在轧机上冷轧40 % 60 %，经过表面打磨、抛光至粗糙度Ra ^ 0. 07m，用丙酮清洗；将试样置于上述强流脉冲电子束装置中，抽真空至10_3 ，然后进行电子束轰击处理，处理参数如下加速电压18 23kV，靶源距离80 160mm，磁场强度800 12000e，能量密度2 4J/cm2，脉冲次数2 20次，每次脉冲的时间间隔约为5 20s。图3为NiTi合金样品经过5次脉冲处理后的表面背散射衍射形貌，可以明显看到表面有生成了尺寸均勻的细小晶粒，平均晶粒尺寸为290nm。通过上述实施例进一步发现当脉冲电子束的能量密度为2 4J/cm2，每次脉冲持续时间为ι μ S，轰击次数为2 10次，每次脉冲的时间间隔为10 15s时，金属基体表面的微纳米化效果最好。上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法，包括以下步骤(1)将金属基体冷轧处理，表面抛光至粗糙度0.06 0. 08 μ m,清洗；(2)将经步骤(1)处理的金属基体放入强流脉冲电子束装置中，抽真空至10_3 10_4Pa，采用能量密度为2 4J/cm2的脉冲电子束对金属基体表面进行轰击处理，每次脉冲持续0. 5 1 μ s，轰击次数为2 30次，每次脉冲的时间间隔约为5 20s。
2.权利要求1所述的实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法，其特征在于，脉冲电子束的能量密度为2 4J/cm2，每次脉冲持续时间为1 μ s，轰击次数为2 10次，每次脉冲的时间间隔为10 15s。
3.权利要求1或2所述的实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法，其特征在于，所述金属基体包括45#碳钢、316L不锈钢和NiTi合金。
全文摘要
本发明公开了一种实现金属材料表层晶粒微纳米化的方法，包括以下步骤(1)将金属基体冷轧处理，表面抛光至粗糙度0.06～0.08μm，清洗；(2)将经步骤(1)处理的金属基体放入强流脉冲电子束装置中，抽真空至10-3～10-4Pa，采用能量密度为2～4J/cm2的脉冲电子束对金属基体表面进行轰击处理，每次脉冲持续0.5～1μs，轰击次数为2～30次，每次脉冲的时间间隔约为5～20s。本发明利用脉冲电子束对形变材料表面快速回火这一特性来细化金属表层晶粒，使表层晶粒尺寸降低到100～500nm，从而获得了优良的表面性能。
文档编号C21D8/00GK102560042SQ20121000971
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者张可敏, 邹建新 申请人:上海工程技术大学