一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，屬于材料表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明以金屬材料為對(duì)象，先對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力退火預(yù)處理，去除其在先前機(jī)械加工過程中殘留的內(nèi)應(yīng)力；然后放入真空條件下的表面機(jī)械研磨設(shè)備中，利用大量鋼球反復(fù)高頻擊打材料表面進(jìn)行表面納米化處理；再進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，消除機(jī)械研磨處理中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；最后對(duì)表面納米化的材料進(jìn)行高能離子注入，從而得到具有穩(wěn)定表面納米層的金屬材料；本發(fā)明通過表面機(jī)械研磨與高能離子注入相結(jié)合，可以在金屬材料的表面制備出納米層，并且使該納米層在之后的冷、熱加工中具有良好的穩(wěn)定性，從而保持材料表面機(jī)械性能的穩(wěn)定性；另外，本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，投資少，效率高，能耗低，無污染，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，屬于材料表面處理

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于金屬材料的性能，尤其是表面性能 的要求日益提高。許多文獻(xiàn)和案例中指出，大多數(shù)材料的失穩(wěn)始于其表面，考慮到納米材料 獨(dú)特的優(yōu)異性能，可以采用在其表面制備納米晶的方法優(yōu)化其性能和環(huán)境服役行為。通過 機(jī)械手段在金屬材料的表層制備納米晶（即表面納米化）的方法是改善金屬材料表面性能 的一個(gè)重要手段。經(jīng)過多年研究和發(fā)展，在塊狀粗晶材料上獲得納米結(jié)構(gòu)表層有三種較為 成熟的方式：表面涂層或沉積、表面自身納米化和混合納米化。但是對(duì)于傳統(tǒng)的表面納米化 來說，其納米層在后續(xù)的加工處理中無法確保其晶粒的穩(wěn)定性，從而影響材料表層性能的 穩(wěn)定性。
[0003]異類離子注入材料表面來改善金屬材料表面性能已經(jīng)被證實(shí)是一種行之有效的 方法，通過這種技術(shù)可獲得其他方法不能得到的新合金相，與基體結(jié)合牢固，無明顯界面和 脫落現(xiàn)象，從而提高金屬材料的硬度、耐磨性等性能。此外，研究發(fā)現(xiàn)異類離子的引入到基 體材料的晶粒間隙內(nèi)，可以在電負(fù)性、原子間作用力、阻礙晶界遷移等方面發(fā)揮作用，在一 定程度上阻礙基體金屬材料晶粒的長(zhǎng)大，起到穩(wěn)定材料表面性能的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，該方法 可以在金屬材料的表面制備出納米晶層，并且解決了該納米層在隨后的冷、熱加工過程中 發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的問題，提高了金屬材料表面納米晶組織和性能的穩(wěn)定性，拓展了金屬材料 的使用范圍。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟： (1) 對(duì)純金屬材料進(jìn)行去應(yīng)力退火處理； (2) 將經(jīng)過退火處理的金屬材料置于密閉真空容器頂部，容器底部放有大量鋼球，機(jī)器 開動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面反復(fù)高頻擊打，進(jìn)行表面研磨處理； (3)對(duì)經(jīng)過表面機(jī)械研磨的金屬材料進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，消除表面機(jī)械研磨處理過 程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力； (4)對(duì)步驟（3)得到的金屬材料進(jìn)行高能離子注入，從而得到具有穩(wěn)定表面納米層的金 屬材料。
[0006]所述的步驟（1)和（3)中退火的溫度為低于金屬材料的再結(jié)晶溫度20?100°C， 時(shí)間為0.5 ~ 10h，退火在真空或高純氬氣等惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。
[0007]所述的步驟（2)中表面機(jī)械研磨處理的時(shí)間為30min?180min,震動(dòng)擊打頻率 為 20 ~ 100Hz。
[0008] 所述的步驟（2)中表面機(jī)械研磨處理所用鋼球材質(zhì)可以為GCrl5,鋼球直徑可以 為 4 ~ 12mmη
[0009] 所述的步驟（4)中高能離子注入的真空度為IXKT4?9ΧKT4Pa,加速電壓為20 ?100kV，注入劑量為 0.5X1017 ?5X1017ions*cnT2。
[0010] 所述的步驟（4)中高能離子注入所用的元素為Nb、Mo、V、Ti、Zr、Cr中的一種或多 種。
[0011] 本發(fā)明所述方法制備得到的金屬樣品中所得的納米層厚度為1〇 ~ 100μm。
[0012] 本發(fā)明的原理是：首先，利用真空或惰性氣體氣氛條件下的高能鋼球高頻擊打，使 金屬材料表層發(fā)生劇烈的塑性變形，位錯(cuò)大量增殖，位錯(cuò)密度升高，材料組織中的晶粒逐漸 細(xì)化至納米量級(jí)；退火后可以去除殘余內(nèi)應(yīng)力，利用高能離子注入技術(shù)向表層已經(jīng)納米化 的金屬材料基體中注入Mo、Nb、Ti、V、Zr和Cr中的某一種、兩種或多種異類離子，注入的 離子與金屬中的電子、原子發(fā)生彈性和非彈性碰撞，逐漸地把離子的能量傳遞出去；而在能 量傳遞和沉積的同時(shí)，基體中由于高能離子的沖擊，發(fā)生著原子擴(kuò)散和晶格破損，位錯(cuò)、間 隙原子、置換原子和空位萌生并相互作用，以及離子注入過程中造成的溫度升高，它們共同 促使晶體缺陷大量地形成；離子注入所導(dǎo)致的晶體缺陷及離子本身對(duì)晶界的釘扎作用在晶 粒長(zhǎng)大的過程中阻礙晶界的遷移，從而抑制基體晶粒的長(zhǎng)大。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有以下有益的技術(shù)效果： (1) 本發(fā)明金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，通過對(duì)預(yù)處理后的金屬材料 依次采用表面機(jī)械研磨納米化、去應(yīng)力退火、高能離子注入的工藝方法，結(jié)合并發(fā)揮表面納 米化和離子注入的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以在金屬材料表面快速制備出納米晶層，而且可以大幅提 升其在隨后冷、熱加工中晶粒的穩(wěn)定性，從而起到穩(wěn)定材料表面性能的效果； (2) 本發(fā)明金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，操作簡(jiǎn)單，投資少，效率高，能 耗低，無污染，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為實(shí)施例1經(jīng)表面納米化處理后純銅板材橫截面顯微組織光學(xué)照片； 圖2為實(shí)施例1經(jīng)表面納米化、離子注入和后期熱處理后，純銅板材表面的原子力顯微 鏡照片； 圖3為實(shí)施例2經(jīng)表面納米化、離子注入和后期熱處理后，純銅板材表面的原子力顯微 鏡照片； 圖4為實(shí)施例3經(jīng)表面納米化、離子注入和后期熱處理后，純銅板材表面的原子力顯微 鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不 限于下述的實(shí)施例。
[0016] 實(shí)施例1 (1)采用純銅板材進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，板材的長(zhǎng)寬厚尺寸為100mmX100mmX10mm，退火溫度為250°C，保溫時(shí)間為0.5h，去除在先前機(jī)械加工中殘留的內(nèi)應(yīng)力； (2)將經(jīng)過預(yù)處理的純銅板材固定于表面機(jī)械研磨機(jī)（surfacemechanical attritiontreatment,簡(jiǎn)寫為SMAT)研磨罐頂部，罐內(nèi)為真空狀態(tài)，且裝大量鋼球，鋼球的 材質(zhì)為GCrl5,鋼球的直徑為12mm;機(jī)器開動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面反復(fù)高頻擊打，進(jìn)行表面研磨 處理，表面納米化處理時(shí)間為30min，系統(tǒng)震動(dòng)頻率為100Hz;表面納米化后，純銅板材的 側(cè)面組織如圖1所不，圖中1是銅材的表面納米晶層，2是細(xì)晶和超細(xì)晶層，3是金屬粗晶基 體；表面納米晶層的平均晶粒尺寸約為80nm，層厚度約為50μm。
[0017] (3)對(duì)經(jīng)過表面機(jī)械研磨的純銅板材樣品進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火溫度為 250°C，保溫時(shí)間為0.5h，消除純銅在表面機(jī)械研磨處理過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力； (4)對(duì)經(jīng)過表面納米化和去應(yīng)力退火處理的純銅板材進(jìn)行高能離子注入，注入元素為Mo,真空度為IXKT4Pa,加速電壓為20kV，注入劑量為0.5XIO17ions·cm_2,得到具有穩(wěn) 定表面納米層的銅材，此時(shí)納米層的厚度約為50μπι。
[0018] 為證明Mo離子注入對(duì)純銅納米晶的穩(wěn)定化作用，取上述步驟（2)所得的表面納米 化處理后的純銅板材在550°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面，可看出 晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象較為明顯，平均晶粒尺寸約長(zhǎng)大到了 370nm;取上述步驟（4)表面納米化和 離子注入后的純銅板材同樣在550°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面， 得到圖2所示的組織，從圖中可以看出晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象得到有效抑制，晶粒尺寸較小，約為90 nm。經(jīng)過顯微硬度檢測(cè)，該銅材的表面顯微硬度已經(jīng)達(dá)到1. 65GPa，遠(yuǎn)高于普通粗晶銅的顯 微硬度。
[0019] 實(shí)施例2 (1)采用純銅板材進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，板材的長(zhǎng)寬厚尺寸為50mmX50mmX2mm， 退火溫度為200°C，保溫時(shí)間為5h，去除在先前機(jī)械加工中殘留的內(nèi)應(yīng)力； (2) 將經(jīng)過預(yù)處理的銅板材樣品固定于表面機(jī)械研磨機(jī)（surfacemechanical attritiontreatment,簡(jiǎn)寫為SMAT)研磨罐頂部，罐內(nèi)為氦氣環(huán)境，且裝大量鋼球，鋼球的 材質(zhì)為GCrl5,鋼球的直徑為8mm，機(jī)器開動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面反復(fù)高頻擊打，進(jìn)行表面研磨處 理，表面納米化處理時(shí)間為90min，系統(tǒng)震動(dòng)頻率為50Hz;表面納米化后，銅材表面納米晶 層的平均晶粒尺寸約為60nm，層厚度約為55μπι。
[0020] (3)對(duì)經(jīng)過表面機(jī)械研磨的純銅板材樣品進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火溫度為 200°C，保溫時(shí)間為5h，消除純銅在表面機(jī)械研磨處理過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力； (4)對(duì)經(jīng)過表面納米化的材料進(jìn)行高能離子注入，離子注入元素為Nb,真空度為 5XKT4Pa,加速電壓為60kV，注入劑量為2XIO17ions·αιΓ2,從而得到具有穩(wěn)定表面納米 層的金屬材料，此時(shí)納米層的厚度約為55μm。
[0021] 為證明Nb離子注入對(duì)純銅納米晶的穩(wěn)定化作用，取上述步驟（2)所得的表面納米 化處理后的純銅板材在550°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面，可看出 晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象較為明顯，平均晶粒尺寸約長(zhǎng)大到了 310nm;取上述步驟（4)表面納米化和 離子注入后的純銅板材同樣在650°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面， 得到圖3所示的組織，從圖中可以看出晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象得到有效抑制，晶粒尺寸較小，約為75 nm。經(jīng)過顯微硬度檢測(cè)，該銅材的表面顯微硬度已經(jīng)達(dá)到1. 78GPa，遠(yuǎn)高于普通粗晶銅的顯 微硬度。
[0022] 實(shí)施例3 (1) 采用純銅板材進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，板材的長(zhǎng)寬厚尺寸為60mmX70mmX4 mm，退火溫度為180°C，保溫時(shí)間為10h，去除在先前機(jī)械加工中殘留的內(nèi)應(yīng)力； (2) 將經(jīng)過預(yù)處理的銅板材樣品固定于表面機(jī)械研磨機(jī)（surfacemechanical attritiontreatment,簡(jiǎn)寫為SMAT)研磨罐頂部，罐內(nèi)為真空狀態(tài)，且裝大量鋼球，鋼球的 材質(zhì)為GCrl5,鋼球的直徑為4mm，機(jī)器開動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面反復(fù)高頻擊打，進(jìn)行表面研磨處 理，表面納米化處理時(shí)間為180min，系統(tǒng)震動(dòng)頻率為20Hz;表面納米化后，純銅板材表面 的平均晶粒尺寸約為70nm，納米層厚度約為45μm; (3) 對(duì)經(jīng)過表面機(jī)械研磨的純銅板材樣品進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火溫度為180°C，保 溫時(shí)間為10h，消除純銅在表面機(jī)械研磨處理過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力； (4) 對(duì)經(jīng)過表面納米化的材料進(jìn)行高能離子注入，離子注入元素為Ti,真空度為9X KT4Pa,加速電壓為100kV，注入劑量為5XIO17ions·cnT2,從而得到具有穩(wěn)定表面納米 層的金屬材料，此時(shí)納米層的厚度約為45μm。
[0023] 為證明Ti離子注入對(duì)純銅納米晶的穩(wěn)定化作用，取上述步驟（2)所得的表面納米 化處理后的純銅板材在550°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面，可看出 晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象較為明顯，平均晶粒尺寸約長(zhǎng)大到了 290nm;取上述步驟（4)表面納米化和 離子注入后的純銅板材同樣在550°C下進(jìn)行2h的退火處理，用原子力顯微鏡觀察其表面， 得到圖4所示的組織，從圖中可以看出晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象得到有效抑制，晶粒尺寸較小，約為80 nm。該銅材的表面顯微硬度已經(jīng)達(dá)到1.50GPa，遠(yuǎn)高于普通粗晶銅的顯微硬度。
[0024] 根據(jù)實(shí)施例1、2、3所得數(shù)據(jù)，集中對(duì)比如表1。 表1實(shí)施例中不同工藝處理后的純銅板材表面晶粒尺寸及納米層厚度

【權(quán)利要求】
1. 一種金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 對(duì)金屬材料進(jìn)行去應(yīng)力退火處理； (2) 將經(jīng)過退火處理的金屬材料置于密閉真空容器頂部，容器底部放有大量鋼球，鋼球 在機(jī)器開動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面反復(fù)高頻擊打，進(jìn)行表面研磨處理； (3) 對(duì)經(jīng)過表面機(jī)械研磨的樣品進(jìn)行再次去應(yīng)力退火處理，消除表面機(jī)械研磨處理過 程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力； (4) 對(duì)步驟（3)得到的材料進(jìn)行高能離子注入，從而得到具有穩(wěn)定表面納米層的金屬材 料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，其特征在于： 所述步驟（1)和（3)中退火的溫度為低于金屬材料再結(jié)晶溫度20-KKTC，時(shí)間為0.5?10 h，退火在真空或高純氬氣等惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，其特征在于： 所述步驟（2)中表面研磨處理的時(shí)間為30 min?180 min，震動(dòng)擊打頻率為20?100 Hz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，其特征在于： 所述步驟（4)中高能離子注入的真空度為1X10_4?9X10_4Pa，加速電壓為20?100 kV， 注入劑量為 〇· 5X 1017 ?5X 1017 ions · cnT2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面納米化及其組織穩(wěn)定化的方法，其特征在于： 所述步驟（4)中高能離子注入所用的元素為Nb、Mo、V、Ti、Zr、Cr中的一種或多種。
【文檔編號(hào)】C23F17/00GK104278137SQ201410496452
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】李才巨, 郗旸, 張淇萱, 袁倩 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)