利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶-非晶复合结构薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶

【技术实现步骤摘要】
利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
‑
非晶复合结构薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其是一种利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
‑
非晶复合结构薄膜的方法。

技术介绍

[0002]从铁器时代开始，钢铁材料因其高强度和丰富的铁资源供应，被广泛的应用于航空航天、武器、工程装备、交通设备和医疗器械等各个领域。为了提高钢铁材料的强度，纳米晶和非晶金属材料的开发成为研究人员关注的焦点。但是，晶界增多、晶粒纳米化带来的脆性问题导致纳米晶材料强度提升的同时塑性大幅度降低；同时，非晶材料也因为剪切带的形成经常在有限的塑性变形条件下就产生灾难性的断裂失效。纳米晶
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非晶复合纳米结构设计为解决金属材料同时具备高强度、高延展性问题提供了新思路。因此，制备同时具备基体塑韧性和表面高强硬度的纳米晶
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非晶复合结构钢铁材料迫在眉睫。
[0003]诸如磁控溅射、高压扭转和球磨等方法被用于制备含有纳米晶
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非晶复合结构的高性能材料。已有研究人员通过磁控溅射设计纳米晶
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非晶多级纳米结构，制备出了一种迄今为止最高比强度并且具备高延展性的铝合金，但是，该方法并不适用于钢铁材料。目前，还没有出现在回火马氏体和珠光体钢表层制备纳米晶
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非晶复合结构的相关专利技术。本专利技术通过滑动摩擦在具有层片状微结构的钢铁材料表层制备由纳米晶
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非晶复合结构组成的薄膜，可在高接触应力下提供稳定的润滑效应，达到降低摩擦磨损的效果，且表层具备纳米层片的梯度结构。利用本专利技术涉及的工艺去处理含回火马氏体或珠光体组织的钢铁材料，可将其应用于制造机械摩擦副(轴承、提升钢绳、轮轨系统等)，提高重大装备的服役安全和寿命。因此含有纳米晶
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非晶复合结构的薄膜金属材料具有高强度、高韧性和高硬度等优异性能，该材料的使用具备广阔的市场空间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：提供一种利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法。
[0005]本专利技术是这样实现的：利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法，包括如下步骤：
[0006]1)将钢铁材料的组织调控为回火马氏体或珠光体类似的层片状结构；
[0007]2)将含有层片状结构的原材料进行磨制和抛光，使其粗糙度为0.4μm以下；
[0008]3)用碳化钨球或硬度等同于碳化钨球的对磨副正压在经过磨制抛光的盘状样品上，并固定后进行往复滑动摩擦，最终获得纳米晶
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非晶复合结构。
[0009]所述的将钢铁材料的组织调控为回火马氏体的具体方法是，采用低碳低合金钢在高于奥氏体化温度30℃以上进行保温处理，经盐水淬火后在低温箱式炉内保温2小时，保温温度为200℃，最终获得回火马氏体组织，显微硬度控制在450
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490HV。
[0010]硬度为450～490HV，组织为回火马氏体时，正压力控制为100
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150N，滑动线速度控制为0.015
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0.025m/s，对磨副的硬度为770HV以上。
[0011]将钢铁材料的组织调控为珠光体类似的层片状结构的方法是，采用65#钢在高于奥氏体化温度30℃以上进行保温处理，经等温处理后强制风冷，等温温度为630℃，获得珠光体组织，层片间距控制在200
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300μm。
[0012]组织为珠光体，层片间距在200
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300μm时，正压力控制为40
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60N，滑动线速度控制为0.01
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0.15m/s。
[0013]所述的纳米晶
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非晶复合结构为0.5
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2μm的纳米晶
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非晶复合结构薄膜，且薄膜下方的材料微观组织为纳米层片结构。
[0014]在步骤2)所述的将含有层片状结构的原材料进行磨制和抛光前，先将含有层片状结构的原材料制成盘型样品，厚度为5
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6mm。
[0015]与现有技术相，本专利技术首先通过高温淬火加低温回火处理后获得回火马氏体组织或通过高温加热65#钢并经等温处理后强制风冷获得珠光体组织，两类组织均为层片状结构。在此基础上采用碳化钨球在材料表面往复滑动摩擦进行表层改性处理。经历摩擦高应变速率、摩擦热和元素扩散的综合作用，材料表层产生强烈塑性变形、晶粒细化和结构氧化等一系列微观反应，最终形成约为1μm厚度的薄膜，该薄膜是由尺度为5
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30mm的纳米晶
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非晶复合结构组成。采用本专利技术的技术在钢铁材料表层形成的薄膜可大幅度提高材料摩擦磨损性能，次表层也会形成纳米硬度高达8.38Gpa的纳米梯度结构。本专利技术可提供一种利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法。
附图说明
[0016]图1采用滑动摩擦制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法及检测示意图
[0017]图2以回火马氏体钢为原材料制备出的纳米晶
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非晶复合结构薄膜摩擦系数
[0018]图3回火马氏体钢纳米晶
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非晶复合结构薄膜检测结果
[0019]图4薄膜最表面沿深度方向的纳米硬度梯度值
[0020]图5以珠光体钢为原材料制备出的纳米晶
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非晶复合结构薄膜摩擦系数
[0021]图6珠光体钢纳米晶
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非晶复合结构薄膜检测结果
具体实施方式
[0022]实施例1：回火马氏体组织经往复滑动摩擦制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的工艺包括以下几步:
[0023](1)取直径为30mm，长度为20mm的20CrNi2Mo钢棒一截，在高温箱式炉内加热至1000℃并保温50min，而后取出棒料在盐水中冷却。取出冷却后的棒料置入低温箱式炉内加热至200℃并保温2小时后空冷。组织为回火马氏体，硬度为490HV。
[0024](2)将热处理后的棒料加工为直径25mm，厚度5mm的圆盘样，对圆盘表面粗磨后，分别采用2000#、3000#、5000#的水砂纸精磨并抛光，样品最终粗糙度值低于0.4μm。
[0025](3)用碳化钨球(直径采用9.6mm或硬度等同于碳化钨球的对磨副)正压在经过磨制抛光的盘状样品上，利用专用夹具夹紧并固定后，进行往复滑动摩擦，如附图1所示。摩擦正压力为100N，滑动线速度为0.02m/s。
[0026](4)往复滑动摩擦的运动轨迹为圆周，滑动方向需始终沿顺时针方向，每一固定轨迹上往复滑动的时间为10分钟。
[0027](5)取步骤(1)
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(4)处理后的圆盘试样在摩擦磨损实验机上直接进行摩擦性能测试，获得摩擦系数和磨损率，测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将钢铁材料的组织调控为回火马氏体或珠光体类似的层片状结构；2)将含有层片状结构的原材料进行磨制和抛光，使其粗糙度为0.4μm以下；3)用碳化钨球或硬度等同于碳化钨球的对磨副正压在经过磨制抛光的盘状样品上，并固定后进行往复滑动摩擦，最终获得纳米晶
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非晶复合结构。2.根据权利要求1所述的利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法，其特征在于：所述的将钢铁材料的组织调控为回火马氏体的具体方法是，采用低碳低合金钢在高于奥氏体化温度30℃以上进行保温处理，经盐水淬火后在低温箱式炉内保温2小时，保温温度为200℃，最终获得回火马氏体组织，显微硬度控制在450
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490HV。3.根据权利要求2所述的利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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非晶复合结构薄膜的方法，其特征在于：硬度为450～490HV，组织为回火马氏体时，正压力控制为100
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150N，滑动线速度控制为0.015
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0.025m/s，对磨副的硬度为770HV以上。4.根据权利要求1所述的利用滑动摩擦在钢铁材料表层制备纳米晶
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【专利技术属性】
技术研发人员：尹存宏，沈明明，吴玉忠，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：