[发明专利]含硅高碳钢9SiCr表面纳米化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含硅高碳钢表面纳米化的方法，特别是涉及一种表面干滑动摩擦实现含硅高碳钢无涂层表面纳米化方法。

背景技术

纳米材料具有优异的力学、物理和化学性能。近些年来，全世界的科学家对纳米材料的制备及其性能进行了广泛的研究。纳米金属材料在制造结构件方面的应用要求具有较大的外观尺寸，目前各种大塑性变形方法制备块体纳米金属材料已经在实验室实现。近来的研究表明，纳米或超细晶金属材料的加工硬化能力和均匀延伸率较低，塑性加工性能差，而且无孔洞大尺寸块体纳米晶材料的制备极其困难，现有的制备技术工艺复杂，难于进行规模生产，这极大限制了其作为结构材料的应用。大多数零件的失效，如磨损、疲劳和腐蚀，是从材料或零件的表面开始的，对零件的表面进行纳米化处理从而大大地改善表面的性能，可以有效的提高零件的使用寿命。因此，用近表面剧烈塑性变形技术实现金属材料表面纳米化的研究得到了材料学界的广泛关注。例如：Liu等人用高能喷丸在低碳钢表面获得了平均尺寸23nm的纳米晶(Scripta Materialia，2001，Vol.44，p.1791)；Mano等人利用表面喷丸技术可以获得弹簧钢表面50～100nm的晶粒，并提高疲劳寿命9％(Materials Research Society Symposium Proceedings，Vol.843，Surface Engineering 2004-fundamentals and Applications，2005，p.67)；Todaka等人对铁素体组织的0.03％C钢和3.3％Si钢、马氏体组织的0.1％C钢以及具有珠光体或球状碳化物组织的0.8％C钢进行了表面喷丸和超声喷丸处理，结果得到了几十纳米尺度的纳米晶表面层(Materials Transactions，2004，Vol.45，p.376)；Wang等人用喷砂后退火在304SS不锈钢表面得到20nm以下的纳米晶(Electrochimica Acta，2002，Vol.47，p.3939)；发明人用高能喷丸在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面得到平均尺寸约为18nm的纳米晶(Surface andCoatings Technology，2006，Vol.200，p.4777)，在中锰奥氏体耐磨钢表面得到平均尺寸约为8nm的纳米晶(Materials Science and Engineering A，2007，Vol.458，p.249)；Tao等人用超声喷丸在纯铁表面获得约10nm的纳米晶(Nanostructured Materials，1999，Vol.11，p.433)。

目前已有多项用近表面剧烈塑性变形方法进行金属材料表面纳米化专利获授权或受理。例如公开号为CN 1301873A、CN 1336321A、CN1336444A、CN 1410560A和CN 1336445A，这些专利技术主要是用高能弹丸冲击待处理工件表面，使表面发生强烈塑性变形，获得表面纳米晶组织。公开号为CN 1924030A的发明专利，是利用超声波换能器上的冲头与金属工件表面直接接触，将超声波振动能量输入到金属件，造成表面高应变速率局部强烈塑性变形，从而将表层晶粒细化到纳米尺度，其实施例中对40Cr和GCr15两种钢表面纳米化处理后得到平均晶粒尺寸在45～55nm之间。

发明内容

本发明目的在于提供一种含硅高碳钢表面纳米化方法。该方法将预先低温等温淬火热处理与干滑动摩擦结合起来，预先热处理得到超细的无碳化物贝氏体组织，即由超细板条状的贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的组织。然后表面干滑动摩擦使表面层在剪切应力作用下发生剧烈塑性变形，从而导致表面层晶粒细化到纳米尺度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：预先将待表面纳米化处理的工件加热到900-980℃保温15-30min进行奥氏体化，迅速浸到180-220℃的熔盐(重量比为1∶1的NaNO₂和KNO₃混合盐)中保温8-10h，进行等温淬火，取出空冷至室温后，表面磨削去掉0.5-1.0mm氧化脱碳层，再在磨损试验机上干滑动摩擦，所加载荷250-300N，转速150-200rpm，摩擦升温达到100℃停机，自然冷却或风冷降温到50℃以下再继续摩擦，累计摩擦2-3h。

摩擦头用淬火加低温回火处理的GCr15钢制成，摩擦面为外径25mm、厚度3.0mm的圆筒端面。