專利名稱：一種金屬材料表面納米化的方法
一種金屬+才料表面納米化的方法技術(shù)讎本發(fā)^^涉M屬材料納米化技術(shù)，具體為一種金屬材料表面納米化的方法。 背景脅大多謝料的失穩(wěn)始于其表面，因此可以通3it才料的表面改性來提高材料的 力學(xué)性能和環(huán)境服役行為。表面納米化是一種有效的表面改性技術(shù)。目前，實(shí)5臉屬材料表面納米化的方法主要是嚴(yán)重塑性變開炎去，如表面機(jī)械研磨，噴 丸等。這雖術(shù)都是利用球形彈丸連續(xù)高速地撞擊材料表面，從而會(huì)污染表面， 并產(chǎn)生較大的表面粗糙度。近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用脈沖電流處理薄片狀金屬材料可以細(xì)化其組織，并且處理后的材粉L隙少，缺陷少，而且無污染。由于高頻脈沖電流本身具有趨膚效應(yīng)，從而鵬種方法更適于對(duì)金屬材料進(jìn)行表面處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于JI^一種金屬材料表面納米化的方法。鄉(xiāng)S1本方法處理后，在金屬材料表面可形成納米晶，并，l:方法操作簡(jiǎn)單，效率高，成本低。 為了實(shí)iLt述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是處理方法為脈沖電流表面處理。脈沖電流的放電周期1ms 1000ms，最大峰值電流密度103~105a/mm2，單個(gè)脈沖 的,時(shí)間1ms 10000ms，脈沖電流處理的時(shí)間為單個(gè)脈沖的^^賣時(shí)間。本發(fā)明 提供的金屬材料表面納米化的方法，其脈沖電流較佳參數(shù)為放電周期 50ns 500ps，最大峰值電流密度6xl03 5xl()4a/mm2，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間200|ns ~2500ns。本發(fā)明的原理是利用脈沖電流處理產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)，使被處理材料的溫度超過內(nèi)部組織的相變，，使其發(fā)生相變，溫升公式為Ar- fy2")M， ^0為在t時(shí)刻的電流密度，p為電阻率，、為比熱，c/為樣品的密度。由于脈沖電流具有繊 爐，因而樣品的表面和心部的電流密度分布不均勻，電流密度的分布 可由公式厶"'。exp(-x/。表示，其中厶題巨離表面為x深度處的電流密度，/。是表面的電流密度，c慰巨表面的距離，5是趨膚深度，5可由公式3<formula>formula see original document page 4</formula>表示，其中p為電阻率，/為電流頻率，//。為真空磁導(dǎo)率，//,為相對(duì)磁導(dǎo)率。所 以樣品表面的電流密度最大，驗(yàn)最高，隨著距離表面深度的增加，電流密度和 鵬都逐繊低，從而使樣品的表面發(fā)生相變，心部不能發(fā)生相變。在相變過程 中脈沖電流還具有提高高電導(dǎo)相形核率的效應(yīng)，并且形核率隨電流密度的增加而 提高，使f辨品的表面形核率最大，且形核率鄉(xiāng)巨離表面深度的增加而降低，又 由于冷卻速率離巨離表面深度的增加而降低，因此在樣品的表面形成納米晶，隨 距離表面深度的增加，晶粒尺寸逐漸長(zhǎng)大。所以禾擁本發(fā)明可以在能發(fā)生相變的 金屬材料表面得到納米晶層。本發(fā)明處理方法主要適用于各種鋼、鐵、銅合金、 鈦合金等鍋材料。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1. 本發(fā)明可以有效地?cái)嘭到饘俨牧媳砻鎸拥木Я３叽纾诮饘俨牧媳砻鎸有?成一層與，化學(xué)成分相同、平均晶粒尺寸在10"30納米左右的顯微組織，在納 米層向下分別 ，層、' 層和基體。2. 利用本發(fā)明處理的材料表面無污染，無較大的表面粗糙度。并且操作簡(jiǎn)單， 周期短，效率高，成本低，便于推廣應(yīng)用。


圖1為脈沖電流處理過程的裝置示意圖。 圖2為處理試樣所用脈沖電流的波形圖。 圖3為實(shí)施例1 i^經(jīng)處理后的表面透射電鏡明場(chǎng)像。 圖4為實(shí)施例1試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡暗場(chǎng)像。 圖5為實(shí)施例1 K1f經(jīng)處理后的表面M"電鏡選區(qū)衍射。 圖6為實(shí)施例2試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡明場(chǎng)像。 圖7為實(shí)施例2 i^f經(jīng)處理后的表面透射電鏡暗場(chǎng)像。 圖8為實(shí)施例2 ,經(jīng)處理后的表面透射電鏡選區(qū)衍射。 圖9為實(shí)施例3試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡明場(chǎng)像。 圖10為實(shí)施例3試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡暗場(chǎng)像。 圖11為實(shí)施例3試樣經(jīng)處理后的表面透射電鏡選區(qū)衍射。 具體實(shí)鰌方式下面ilM實(shí)施例詳述本發(fā)明。 實(shí)施例1所用材料是經(jīng)過退火工藝處理的H59黃銅，試樣有效部分尺寸為 2mmx2mmx5mm。如圖1所示，將試樣2兩端的上下表面分別夾持在銅電極3 和絕緣材料l之間，再將兩賴電極分別與脈沖電流發(fā)生器(電容器組)輸出的 正負(fù)電極相連，脈沖電流是由10臺(tái)MWF15-36電容器放電產(chǎn)生的，脈沖電流的 波形和基本參數(shù)由TDS3012型示波器測(cè)定。圖2為本實(shí)施例處理，所用的脈沖電流波形圖，其中脈沖電流的放電周期 約為t^220ns，最大峰值電流密度約為^=1.25><104^111112，單個(gè)脈沖的,時(shí)間 約為1.8ms。經(jīng)^3tM電鏡觀察脈沖電流處理后i，上表面形成了納米晶，處理 后試樣表面層的M電鏡明場(chǎng)像，暗場(chǎng)像和相應(yīng)的選區(qū)衍射分別見圖3、圖4、圖 5。從圖可以看出，表面層由a和|3'兩相組成，平均晶粒尺寸約20nm，納米 層的厚度約為6麟。禾l傭納米壓痕儀測(cè)量脈沖電流處理后辦沿截面方向的顯 微硬度，鄉(xiāng)6上表面約6Mm處a相的硬度約為4GPa，其硬度值鵬巨離表面深度 的增加而P射氐，在距離表面約60|im深處硬度降為約2.45GPa (接近原始退火態(tài) 試樣中01相的平均硬度2.20 3);但是脈沖電流處理后試樣中(3'相的硬度基本沒 發(fā)生變化。實(shí)施例2所用材料是原始態(tài)H59黃銅，i^f有效部分尺寸為2.5mmxl.5mmx4.5mm。 脈沖電流處理方法與實(shí)施例1相同。脈沖電流的放電周期約為V=220ms，最大峰 值電流密度約為jm-1.23xl()4a/mm2，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間約為1.8ms。經(jīng)31W 電鏡觀察脈沖電流處理后i^f上表面形成了納米晶，處理后i^表面層的透射電 鏡明場(chǎng)像，暗場(chǎng)像和相應(yīng)的選區(qū)衍射分別見圖6、圖7、圖8。從圖可以看出試樣 表面層由a和(3'兩相組成，平均晶粒尺寸約25nm，納米層的厚度約為5微米。實(shí)施例3所用材料是經(jīng)過退火工藝處理的H62黃銅，試樣有效部分尺寸為 2mmx2mmx5mm。脈沖電流處理方法與實(shí)施例1相同。脈沖電流的放電周期約為 tp=220^，最大峰值電流密度約為jm=1.30xl04A/mm2，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間約為 1.8ms。鄉(xiāng)S1W電^H察脈沖電流處理后試樣上表面形成了納米晶，處理后試樣 表面層的,電鏡明場(chǎng)像，暗場(chǎng)像和相應(yīng)的選區(qū)衍射分別見圖9、圖10、圖ll。 從圖可以看出 表面層是(1相納米晶，平均晶粒尺寸約10nm，納米層的厚度 約為10微米。
權(quán)利要求
1. 一種金屬材料表面納米化的方法，其特征在于處理方法為脈沖電流表面處理，脈沖電流放電周期1μs～1000μs，最大峰值電流密度103～105A/mm2，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間1μs～10000μs，脈沖電流處理的時(shí)間為單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間。
2、 按照權(quán)利要求1 0M的金屬材料表面納米化的方法，其特征在于脈沖電 流放電周期50ms~500|us，最大峰值電流密度6xl03~5xl04A/mm2，單個(gè)脈沖的持 續(xù)時(shí)間200ms 2500^s。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料納米化技術(shù)，具體為一種金屬材料表面納米化的方法。處理方法為脈沖電流表面處理，脈沖電流放電周期1μs～1000μs，最大峰值電流密度10³～10⁵A/mm²，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間1μs～10000μs。通過本發(fā)明，在金屬材料表面可獲得納米晶。并且本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，效率高，成本低，無污染，無較大的表面粗糙度，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)C21D10/00GK101240370SQ200710010340
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者杜曉寧, 王寶全, 郭敬東 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所