一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料表面強(qiáng)化與改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]不銹鋼由于其優(yōu)異的耐腐蝕性能、加工性能、耐熱性能和力學(xué)性能等綜合性能，廣泛應(yīng)用于家電、衛(wèi)浴、食品衛(wèi)生、裝飾、建筑、交通等人們生活中各個場所，已經(jīng)逐漸成為衡量一個國家人們生活質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，如在歐美等發(fā)達(dá)國家，白色家電和器皿行業(yè)所用不銹鋼占不銹鋼總消耗量大于40%，然而，不銹鋼由于含有大量Cr、Ni等合金元素，其成本價格居高不下，高價格極大限制了不銹鋼在人們生活家居行業(yè)的使用。因此，開發(fā)低成本長壽命不銹鋼材料越來越引起國內(nèi)外重視。表面劇烈塑性變形誘發(fā)合金化技術(shù)可以使材料表面化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能呈梯度變化，使表面性能顯著提高，而基體內(nèi)部仍保持原有力學(xué)性能，從而取代價格昂貴的塊體合金材料，使普通基體材料能夠在腐蝕介質(zhì)等環(huán)境中更廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，表面劇烈塑性變形合金化方法主要有表面機(jī)械研磨、超聲或高能噴丸、噴砂和滾壓等。利用這些表面劇烈塑性變形合金化的研究已經(jīng)取得一系列進(jìn)展，例如，利用機(jī)械研磨工藝加速Zn元素在Fe基合金表面擴(kuò)散形成金屬間化合物(H.L.Wang, Z.B.Wang,K.Lu, Enhanced reactive diffus1n of Zn in a nanostructured Fe Produced bymeans of surface mechanical attrit1n treatment, Acta Materialia, 2012, 60(4):1762-1770);經(jīng)機(jī)械研磨處理后，Ni元素在純Cu表面10 μ m距離內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)提高約2 倍[9] (Z.B.Wang, K.Lu, G.Wilde, S.V.Divinsk1.1nterfacial diffus1n in Cuwith a gradient nanostructured surface layer, Acta Materialia, 2010,58 (7):2376-2386);利用超聲噴丸處理，使Ni金屬粉末在Fe基合金表面形成約2 μπι的Fe_Ni金屬間化合物，力學(xué)性能和耐腐蝕性能顯著提高(T.Zhang, D.P.Wang, Y.Wang, C.Y.Deng,B.M.Gong, Surface alloying method of ultrasonic shot peening on iron surface,Applied Surface Science, 2013, 265: 671-676)。
[0004]然而，這些表面劇烈塑性變形合金化方法獲得梯度組織結(jié)構(gòu)的厚度低于100 μ m，在惡劣環(huán)境下使用壽命較短，此外，這些表面劇烈塑性變形合金化的程度較低，且合金元素多以化合物形成存在，眾所周知，合金元素以固溶形式存在才能有利于耐腐蝕性能的提高。因此，提高普通基體材料合金化深度和合金化程度，形成表層梯度組織結(jié)構(gòu)，在降低成本和延長使用壽命方面具有重要工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的之一:本發(fā)明提供了一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)中不銹鋼成本偏貴的問題。
[0006]本發(fā)明的另一目的:本發(fā)明提供了一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料的制備方法，以解決上述表面劇烈塑性變形誘發(fā)合金化程度偏低和合金化深度較淺的技術(shù)問題。
[0007]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料，包括具有不銹鋼性能的表層梯度結(jié)構(gòu)；所述表層梯度結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸由表面至心部逐漸增大至與表層梯度材料的基體相同的晶粒尺寸；所述表層梯度結(jié)構(gòu)的固溶度和碳化物含量由表面至心部逐漸降低，其合金化程度和合金化深度顯著提高，表層梯度結(jié)構(gòu)和基體無明顯界面，過度連續(xù)。
[0008]進(jìn)一步的，所述表層梯度結(jié)構(gòu)的最表層晶粒尺寸變化范圍為20nm~100nm，所述表層梯度結(jié)構(gòu)的厚度大于300 μπι。
[0009]進(jìn)一步的，所述表層梯度結(jié)構(gòu)中的Cr元素含量大于15wt%，其中以固溶體形式存在的Cr含量大于13wt%，以碳化物形式存在的Cr含量大于2%。
[0010]一種具有不銹鋼性能的低成本長壽命表層梯度材料的制備方法，包括以下步驟:
a、表面預(yù)處理:對基體表面進(jìn)行砂紙粗磨、細(xì)磨、拋光、稀硝酸浸蝕，酒精清洗，晾干；
b、預(yù)置金屬粉末:將所需的金屬粉末覆蓋在基體表面；
c、大應(yīng)力應(yīng)變沖擊形變處理:使用沖擊裝置進(jìn)行連續(xù)沖擊表面覆蓋金屬粉末的基體；
d、真空回復(fù)處理:先去除基體表面殘留的金屬粉末，再往基體的表面覆蓋金屬粉末，隨后置于真空退火爐中進(jìn)行回復(fù)處理。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟a中的基體材料為純鐵、低碳鋼、中碳鋼、低碳合金鋼或中碳合金鋼。
[0012]進(jìn)一步的，將步驟a中經(jīng)過表面預(yù)處理的基體放入真空熱處理爐中進(jìn)行預(yù)熱處理。
[0013]進(jìn)一步的，所述預(yù)熱處理的溫度為200~400°C，并保溫10~30min。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟b中金屬為鉻，或者鉻與以下其它物質(zhì)中的一種或多種的混合物，其它物質(zhì)為:鎳、鉬、鈦、鋁、硅。
[0015]進(jìn)一步的，所述步驟c中沖擊頻率為20~80次/秒；沖擊能為1~3J ;沖擊端移動速率為l~5s ;沖擊端曲率半徑為l~4mm ;沖擊時間為5~30min。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟d中將基體置于真空退火爐中，真空退火爐內(nèi)的溫度為400-600°C，保溫 3~12 小時。
[0017]有益效果:
1、制備成本降低。本發(fā)明所使用的表面沖擊劇烈塑性變形+低溫?cái)U(kuò)散熱處理技術(shù)，工藝簡單，生產(chǎn)安全，且成本較低，是其他表面處理技術(shù)所不及的。
[0018]2、合金化程度和合金化深度高。本發(fā)明材料表層合金元素80~85%轉(zhuǎn)化為固溶體，15-20%轉(zhuǎn)化為碳化物，合金化深度大于300 μ m，其合金化程度和深度遠(yuǎn)高于其他表面處理技術(shù)。
[0019]3、耐腐蝕性能和強(qiáng)度提高。本發(fā)明通過表面沖擊劇烈塑性變形+低溫?cái)U(kuò)散熱處理技術(shù)，形成理想微納梯度組織結(jié)構(gòu)(包括固溶度、碳化物含量和晶粒尺寸)，且合金化程度和合金化深度顯著提高，梯度層和基體無明顯界面，過度連續(xù)，因而，本發(fā)明材料耐腐蝕性能和使用壽命提高顯著，與不銹鋼性能相當(dāng)。
【附圖說明】
[0020]圖1低碳鋼10#鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空回復(fù)處理500°C X8hrs后的樣品橫截面掃描電子顯微鏡照片(JSM-6360LV，JE0L，日本)。
[0021]圖2低碳鋼10#鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空回復(fù)處理500°C X8hrs后的樣品橫截面Cr元素分布照片(GENESIS2000XMS60，EDAX，美國)。
[0022]圖3低碳鋼10#鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空回復(fù)處理500°C X8hrs后的樣品表面XRD圖片(UltimalV，Rigaku，日本)。
[0023]圖4低碳鋼10#鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空回復(fù)處理500°C X8hrs后的樣品與10#低碳鋼和0Crl3不銹鋼的極化曲線。
[0024]圖5低碳鋼10#鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空回復(fù)處理500°C X8hrs后的樣品表面層硬度照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0026]本發(fā)明的技術(shù)原理依據(jù)如下:
表面劇烈塑性變形合金化是一個外部應(yīng)力誘發(fā)擴(kuò)散和熱促進(jìn)擴(kuò)散的過程。一方面，劇烈塑性變形能夠誘發(fā)各種大量缺陷，如空位、位錯、晶界等，這些缺陷有助于元素?cái)U(kuò)散；此夕卜，結(jié)構(gòu)缺陷處于非平衡狀態(tài)、這里的原子處于高能狀態(tài)且排列混亂，對鄰近躍迀原子施加的束縛作用較弱，即原子運(yùn)動所需克服的阻力較小，因而缺陷處的高存儲能有助于元素?cái)U(kuò)散，同時可以作為固溶體形成的驅(qū)動力；而且表面塑性變形過程中，提高應(yīng)力從宏觀上導(dǎo)致外界微小粉末與基體充分機(jī)械結(jié)合，也有助于進(jìn)一步增加擴(kuò)散驅(qū)動力。另一方面，應(yīng)力除具有誘發(fā)大量晶體結(jié)構(gòu)缺陷外，由于相互碰撞和相互摩擦等復(fù)雜接觸應(yīng)力作用必然引起基體溫度變化，從熱力學(xué)上看，溫度越高，擴(kuò)散驅(qū)動力增加，擴(kuò)散速率越快。在劇烈塑性變形合金化過程中，應(yīng)力和溫度兩種因素同時對元素?cái)U(kuò)散行為產(chǎn)生影響，即應(yīng)力-熱耦合效應(yīng)理論為表面劇烈塑性變形合金化方法奠定理論基礎(chǔ)。
[0027]實(shí)施例1
將厚度為10mm的低碳鋼10#鋼板表面用50號SiC砂紙逐漸細(xì)磨至10號SiC砂紙后，拋光處理，再用稀硝酸浸蝕，最后用酒精沖洗晾干。把表面處理好的鋼板線切割成20mmX 20mmX 10mm試樣，將試樣先放入真空熱處理爐中300°C預(yù)熱15min，將試樣快速取出放入固定試樣模具中固定后，表面覆蓋75μπι粒度(200目)的3.5N純Cr粉，使用沖擊裝置持續(xù)對試樣表面進(jìn)行沖擊，沖擊端部曲率半徑為2mm，沖擊時間15min，沖擊能量為1.7J，沖擊速率為50次/秒，同一位置連續(xù)沖擊時間即沖擊端移動速率為2s，在沖擊過程中適時加入Cr粉末。沖擊完成后去除殘留的Cr粉，用酒精清洗沖擊表面，隨后在沖擊表面覆蓋厚度3mm的Cr粉末層，然后放入真空退火爐中500°C保溫8小時，隨爐冷卻后取出，去除表面的殘留Cr粉，再用酒精清洗。對上述制備的樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，其橫截面SEM圖如圖1所示，從圖1可看出該試樣表面晶粒尺寸從最表層的60nm逐漸增加至基體的10 μ m，其厚度400 μ m，即在處理后表面晶粒尺寸呈梯度變化。對上述制備的樣品進(jìn)行能譜分析，其橫截面的Cr元素分布如圖2所示，從圖2可看出從最表面往內(nèi)部，Cr元素含量從16wt%逐漸降低，即在處理后樣品表面Cr元素含量呈梯度變化。對上述制備的樣品進(jìn)行X射線衍射分析，其表面的物相分布如圖3所示，從圖3可看出樣品表面Cr元素一部分