高速应变、高应变原位生成纳米晶合金的方法技术

本发明专利技术公开了高速应变、高应变原位生成纳米晶合金的方法。利用电弧炉、中频感应炉或真空冶炼炉冶炼，浇铸成坯料；进行轧制；高速应变、高应变直接制备出一定尺度的纳米晶、非晶或纳米晶和非晶的混合晶型的纳米晶板材、带材或线材。该方法工艺简单、制备效率高、成本低，制备的纳米晶基本无孔洞，性能优越；解决了脆性材料增韧、韧性材料增强这一传统成分设计方法和加工工艺无法解决的难题，适用于所有金属材料进行纳米化或非晶化。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属纳米结构合金的制备方法，特别是锰钢系列亚稳材料、不锈钢系列合金、金属化合物、铜合金、铝合金、巴氏合金、复合阴极纳米材料等所有金属材料及其合金的制备方法。纳米材料的意义在于几乎所有的材料一旦实现纳米化，其性质均具有一系列超常的行为和现象，利用其独特的声、光、电、能、磁、热等方面的性能，可研制出许多纳米结构微型信息、电子、电工等方面的器件；对于结构材料，晶粒的纳米化为脆性材料增韧、韧性材料增强这一难题的解决带来了曙光。大体积纳米晶材料具有高比强、高比弹，其强度可比最强的锆基合金(700Mpa)高一倍以上，但弹性模量却只提高50％左右。其弹性比功能较之最好的弹簧钢高出8倍以上，具有优异的吸收弹性能量的能力。在精密仪器、仪表、高精度传感与谐振、超大容量精密软弹簧、微型机械齿轮等方面有广泛的应用前景。此外，特异的耐磨性、耐蚀性能也是这一材料在其它相关领域具有重要作用；当CuCr、W-MeO、Ag-MeO材料纳米化后，电弧就会均匀分布在整个阴极表面，导致电弧形态发生突变，避免电极材料烧蚀与熔焊等故障和失效。研究表明高锰钢亚稳材料的磨损速率随冲击能量增高，呈现先增后降的特异规律；这种转折系高能冲击下接触表面塑性变形积累在表面形成了大约直径为10～50个原子间距的纳米晶与非晶的嵌套结构所致。锰钢是我国目前耐磨材料使用量最大的一种材质，涉及的行业比较多，同时锰矿是我国最富有的矿藏之一，它的最具有效能性的使用---锰钢的纳米化和非晶化，不仅能节省资源、降低消耗、提高材质的使用针对性，而且具有显著的社会效益和战略意义。国内外制备金属纳米材料的主要方法及其缺点如下(1)高能球磨纳米粉的制备、颗粒成型烧结法——该法在烧结过程中颗粒容易团聚和发生再结晶晶粒长大，而且内部存在空洞和空穴，同时粉的制备效率低、成本高、粉的包装储备运输非常严格，粉的保护防污染难；(2)等离子喷涂、气相沉积表面复合和激光处理法——技术上存在着如何增加形核率(增强冷却速度)和控制晶体长大等问题，但该法也只能做到对传统材料表面的改性，制备一定厚度的块体纳米材料的可能性不大；(3)纳米粉的制备、湿法合成纳米材料法——技术上要避免微粒的团聚和不均匀分布；(4)深过冷或急冷法——该法最大的困难主要体现在大体积块状材料的制备上，只适用于制备微粉和超薄带，同时，晶化温度和玻璃化温度的间隔区间较小难以控制，尺寸均匀性较差。由于上述技术和经济上的原因，金属纳米结构材料尚未进入完全实用化阶段。本专利技术的目的在于提供一种制备成本低，能够用于工业化生产的。该方法主要用于制备金属纳米板材、带材、线材等并能够制备纳米晶微型元器件。本专利技术的技术解决方案是这样实现的一种，制备工艺过程依下述步骤进行a、根据各种功能材料或结构材料的成分要求，利用电弧炉、中频感应炉或真空冶炼炉进行冶炼，连铸或浇铸成棒状、板状、块状或线材坯料；b、轧制或拉制出尺度更小的板材、带材或线材坯料；c、进行高速应变、高应变直接制备出一定尺度的纳米晶、非晶或纳米晶和非晶的混合晶型的纳米晶板材、带材或丝材；d、退火处理或通过物理办法消除应力，制备出纳米晶合金。本专利技术的技术解决方案还可以这样实现高速应变、高应变可通过分布冲击载荷产生的高速应变、高应变和集中冲击载荷产生的高速应变、高应变两种形式来实现。在高速应变中，冲击载荷的冲击频率大于60Hz；冲击载荷的冲击能量在8焦耳/cm2以上；冲击温度小于再结晶温度，一般在1℃～400℃度之间；消除应力退火温度在100℃～500℃度之间；真应变在12以上。在该专利技术中，冲击载荷的冲击方向与被冲击的板材、带材或线材坯料的表面可成75～90℃的角度。形成一定剪切应力以增加剪切应变，增加纳米化程度和纳米化速度。被冲击的板材、带材或线材坯料的表面相对于冲击载荷可以是静止的，也可以一定的速度水平运动。上述被冲击的板材、带材或线材坯料可以以一定速度沿同一方向水平运动，也可以以一定速度往复运动。本专利技术的技术解决方案还可以这样实现被冲击的板材、带材或线材坯料相对于冲击载荷以75～90°的角度沿同一方向运动，或以75～90°的角度往复运动。本专利技术的方法可对任何金属材料(黑色金属、有色金属；轻金属、重金属等)进行纳米化或非晶化；特别是对不锈钢、锰钢亚稳材料系列、阴极材料、高比强、高比弹锆-镍-铝-铜系列纳米合金进行纳米化和非晶化；并可根据工况和材料的特性对金属进行整体纳米化、单面纳米化和双面纳米化。根据该方法可制备纳米晶金属功能材料或结构材料的微型元器件。上述专利技术方法的原理是通过对一定厚度的薄板材或带材进行冲击高速应变、高应变，增加位错密度、微孪晶密度、层错密度，位错反应和重组以及位错与层错、孪晶间的相互作用形成非晶，分割和细化晶粒从而实现纳米化。制备出的纳米晶材料的硬度HV500～1000，冲击韧性为40～150J/mm2。本专利技术与现有纳米金属制备工艺技术相比，具有以下优点1、用本专利技术所提供的方法可以得到晶粒度在5～100nm的板材、带材或线材纳米晶合金，而且可以在一定范围内控制纳米晶的晶粒尺寸。2、该工艺制备的纳米晶金属材料，组织非常致密，内部基本无孔洞、夹杂类的缺陷，性能优越。3、该方法属于原位生成纳米晶过程，无需通过制备纳米粉-压制成型-烧结过程，避免了纳米粉的污染、氧化和残余空洞问题，也避免了烧结过程中的晶粒长大问题。4、制备效率高，制备成本低，使纳米晶合金的真正的工程应用成为可能。5、纳米板、纳米带可进行单面、双面、整体三种纳米化方式，可满足不同应用环境对材料的不同性能的要求。6、采用该工艺，利用不同材料可制备出不同纳米晶晶型的纳米晶合金板材、带材。7、该纳米晶制备方法适用于所有金属材料(有色金属、黑色金属、稀有合金等)进行纳米化或非晶化，应用面广，特别是传统结构材料的纳米化更有社会和经济价值。8、该工艺解决了脆性材料增韧、韧性材料增强这一传统成分设计方法和加工工艺无法解决的难题。下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明附图说明图1是本专利技术的工艺流程示意图；图2是在集中冲击载荷下静止金属坯料的工艺示意图；图3是在集中冲击载荷下运动金属坯料的工艺示意图；图4是在集中冲击载荷下金属坯料以与冲击方向成一定角度运动的工艺示意图；图5是在分布冲击载荷下静止金属坯料的工艺示意图；图6是在分布冲击载荷下运动金属坯料的工艺示意图；图7是在分布冲击载荷下金属坯料以与冲击方向成一定角度运动的工艺示意图；图8是金属板材(带材)单面纳米、双面纳米和整体纳米的结构示意图。实施例参照图1。本专利技术所提供的制备纳米晶合金的方法可通过以下工艺来实现a、根据各种功能材料或结构材料的成分要求，利用电弧炉、中频感应炉或真空冶炼炉进行冶炼，连铸成或浇铸成棒状、板状、块状或线材坯料；b、经常规压力加工，轧制或拉制成厚度在30mm以下的板材、带材或直径在10mm以下的线材，作为制备纳米晶材料的坯料1；c、对上述板材、带材进行高速应变、高应变处理；高速应变、高应变中冲击载荷的冲击频率大于60Hz；冲击能量在8焦耳/cm2以上；根据具体合金成分的不同，变形应在室温—再结晶温度以下进行(一般在1℃～400℃度之间)，使真应变达到12以上，直接在合金内部生成一定尺度的纳米晶，制备出纳米晶板材、带材；高速应变、高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速应变、高应变原位生成纳米晶合金的方法，其特征在于：该制备工艺过程依下述步骤进行：ａ、根据各种功能材料或结构材料的成分要求，利用电弧炉、中频感应炉或真空冶炼炉进行冶炼，连铸或浇铸成棒状、板状、块状或线材坯料；ｂ、轧制或拉制出尺度更小的板材、带材或线材坯料；ｃ、进行高速应变、高应变直接制备出一定尺度的纳米晶、非晶或纳米晶和非晶的混合晶型的纳米晶板材、带材或丝材；ｄ、退火处理或物理办法消除应力，制备出纳米晶合金。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许云华，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]