含矽高碳鋼9SiCr表面納米化方法
2023-05-12 22:37:16
專利名稱：含矽高碳鋼9SiCr表面納米化方法
技術領域：
本發明涉及一種含矽高碳鋼表面納米化的方法，特別是涉及一種表面幹滑動摩擦實現含矽高碳鋼無塗層表面納米化方法。
背景技術：
納米材料具有優異的力學、物理和化學性能。近些年來，全世界的科學家對納米材料的製備及其性能進行了廣泛的研究。納米金屬材料在製造結構件方面的應用要求具有較大的外觀尺寸，目前各種大塑性變形方法製備塊體納米金屬材料已經在實驗室實現。近來的研究表明，納米或超細晶金屬材料的加工硬化能力和均勻延伸率較低，塑性加工性能差，而且無孔洞大尺寸塊體納米晶材料的製備極其困難，現有的製備技術工藝複雜，難於進行規模生產，這極大限制了其作為結構材料的應用。大多數零件的失效，如磨損、疲勞和腐蝕，是從材料或零件的表面開始的，對零件的表面進行納米化處理從而大大地改善表面的性能，可以有效的提高零件的使用壽命。因此，用近表面劇烈塑性變形技術實現金屬材料表面納米化的研究得到了材料學界的廣泛關注。例如Liu等人用高能噴丸在低碳鋼表面獲得了平均尺寸23nm的納米晶(Scripta Materialia，2001，Vol.44，p.1791)；Mano等人利用表面噴丸技術可以獲得彈簧鋼表面50～100nm的晶粒，並提高疲勞壽命9％(Materials Research Society Symposium Proceedings，Vol.843，Surface Engineering 2004-fundamentals and Applications，2005，p.67)；Todaka等人對鐵素體組織的0.03％C鋼和3.3％Si鋼、馬氏體組織的0.1％C鋼以及具有珠光體或球狀碳化物組織的0.8％C鋼進行了表面噴丸和超聲噴丸處理，結果得到了幾十納米尺度的納米晶表面層(Materials Transactions，2004，Vol.45，p.376)；Wang等人用噴砂後退火在304SS不鏽鋼表面得到20am以下的納米晶(Electrochimica Acta，2002，Vol.47，p.3939)；發明人用高能噴丸在1Cr18Ni9Ti不鏽鋼表面得到平均尺寸約為18nm的納米晶(Surface andCoatings Technology，2006，Vol.200，p.4777)，在中錳奧氏體耐磨鋼表面得到平均尺寸約為8nm的納米晶(Materials Science and Engineering A，2007，Vol.458，p.249)；Tao等人用超聲噴丸在純鐵表面獲得約10nm的納米晶(Nanostructured Materials，1999，Vol.11，p.433)。
目前已有多項用近表面劇烈塑性變形方法進行金屬材料表面納米化專利獲授權或受理。例如公開號為CN 1301873A、CN 1336321A、CN1336444A、CN 1410560A和CN 1336445A，這些專利技術主要是用高能彈丸衝擊待處理工件表面，使表面發生強烈塑性變形，獲得表面納米晶組織。公開號為CN 1924030A的發明專利，是利用超聲波換能器上的衝頭與金屬工件表面直接接觸，將超聲波振動能量輸入到金屬件，造成表面高應變速率局部強烈塑性變形，從而將表層晶粒細化到納米尺度，其實施例中對40Cr和GCr15兩種鋼表面納米化處理後得到平均晶粒尺寸在45～55nm之間。
發明內容
本發明目的在於提供一種含矽高碳鋼表面納米化方法。該方法將預先低溫等溫淬火熱處理與幹滑動摩擦結合起來，預先熱處理得到超細的無碳化物貝氏體組織，即由超細板條狀的貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組成的組織。然後表面幹滑動摩擦使表面層在剪切應力作用下發生劇烈塑性變形，從而導致表面層晶粒細化到納米尺度。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是預先將待表面納米化處理的工件加熱到900-980℃保溫15-30min進行奧氏體化，迅速浸到180-220℃的熔鹽(重量比為1∶1的NaNO2和KNO3混合鹽)中保溫8-10h，進行等溫淬火，取出空冷至室溫後，表面磨削去掉0.5-1.0mm氧化脫碳層，再在磨損試驗機上幹滑動摩擦，所加載荷250-300N，轉速150-200rpm，摩擦升溫達到100℃停機，自然冷卻或風冷降溫到50℃以下再繼續摩擦，累計摩擦2-3h。
摩擦頭用淬火加低溫回火處理的GCr15鋼製成，摩擦面為外徑25mm、厚度3.0mm的圓筒端面。
本發明的原理包括(1)待表面納米化樣品整體相變超細化。低溫等溫淬火得到100～200nm厚板條狀的貝氏體鐵素體，其間分布50～100nm厚的薄膜狀殘餘奧氏體的超細無碳化物貝氏體組織。(2)利用幹滑動摩擦造成表層剪應力，致使表層發生劇烈塑性變形，從而在表層獲得尺寸為幾納米的晶粒。
本發明的有益效果是本發明的表層形成極為細小均勻的納米晶，平均晶粒尺寸約為3nm，是目前報導的平均尺寸最小的表面納米晶粒；其表面形成化學成分與工件基體相同的納米晶，與基體間無明顯分界線，組織和性能均勻過渡；表層劇烈塑性變形後，誘導殘餘奧氏體轉變為鐵素體，形成單相鐵素體納米晶粒；其表面殘餘壓應力狀態，有利於提高疲勞壽命。
圖1是9SiCr鋼表面納米化之後其表面組織的透射電子顯微鏡暗場像照片，組織的電子衍射圖見該照片插圖。
具體實施例方式
實施例將尺寸為φ43×6mm的9SiCr鋼圓形試樣，加熱到950℃保溫15min，迅速放入200℃的重量比為1∶1的NaNO2和KNO3混合熔鹽中等溫8h後空冷，用磨床磨掉約1.0mm，以保證去掉氧化脫碳層，再在磨損試驗機上進行幹滑動摩擦，所加載荷300N，轉速200rpm，摩擦升溫到100℃遂停機，降溫至50℃再繼續摩擦，累積摩擦時間2h。用透射電子顯微鏡觀察到表層平均3nm、最大5nm的極細小晶粒組織，如圖1所示，其電子衍射圖見圖1中的插圖。衍射圖給出了體心立方結構的鐵素體的寬衍射環，說明晶粒極其細小，且晶粒在空間晶體取向任意分布。
9SiCr鋼低溫等溫淬火後進行幹滑動摩擦，表面得到小於或等於5nm的極細小晶粒，其平均晶粒尺寸為3nm，比目前報導的金屬近表面劇烈塑性變形得到的最小平均晶粒尺寸(8nm)還小。
權利要求
1.一種含矽高碳鋼9SiCr表面納米化方法，其特徵是將待表面納米化樣品預先低溫等溫淬火處理得到超細的無碳化物貝氏體，然後表面幹滑動摩擦，使表面層在剪切應力作用下發生劇烈塑性變形，從而導致表面層晶粒細化到納米尺度。
2.根據權利要求1所述的表面納米化方法，其特徵是等溫淬火參數為樣品加熱到900-980℃保溫15-30min進行奧氏體化，迅速浸到180-220℃的熔鹽中保溫8-10h後空冷至室溫，所述熔鹽為重量比為1∶1的NaNO2和KNO3混合鹽；磨削去掉0.5-1.0mm表面氧化脫碳層。
3.根據權利要求1或2所述的表面納米化方法，其特徵是所述幹滑動摩擦施加載荷250-300N、轉速150-200rpm，摩擦升溫至100℃時停機，自然冷卻或風冷降溫到50℃以下後再繼續摩擦，累計摩擦時間2-3h。
全文摘要
本發明涉及一種含矽高碳鋼9SiCr表面納米化方法，特別是涉及一種表面幹滑動摩擦實現含矽高碳鋼無塗層表面納米化方法。其特徵在於將含矽高碳鋼在稍高於馬氏體開始轉變溫度進行等溫淬火，得到由板條貝氏體鐵素體和板條間薄膜殘餘奧氏體組成的貝氏體組織，然後在磨損試驗機上進行轉動幹滑動摩擦，控制載荷和轉速，造成鋼表面層發生強烈塑性變形，從而將表面層晶粒細化到納米尺度。本發明可以將含矽高碳鋼表面晶粒細化到尺寸小於5nm，平均晶粒尺寸3nm的水平。
文檔編號C21D7/00GK101078036SQ20071006220
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月22日 優先權日2007年6月22日
發明者王天生, 楊靜, 張福成 申請人:燕山大學