[发明专利]一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法

说明书

本专利公开了一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法，将待处理金属样品制作成摩擦副，对磨副材质与待处理金属样品相同且硬度相近，两副的初始表面光洁度Ra≤1.6um，并通过润滑物质进行润滑，润滑物质为含有蛇纹石、凹凸棒石、高岭石、蒙脱石等矿物的润滑油、润滑脂及乳化液，采用飞溅润滑与强制润滑方式。摩擦副的接触形式包括面面接触、线面接触，摩擦形式包括滑动摩擦与滚动摩擦，累计摩擦运动时间不少于72小时，本工艺方法相对简单，一个工艺段就可以实现“提高表面硬度、光洁度、耐腐蚀性能”的综合目标，具有一定推广价值。

技术领域：

本发明涉及金属材料表面加工、矿物材料及机械摩擦学领域，具体涉及一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法。

背景技术：

黑色金属及其合金是工业上对铁、铬和锰的统称，也包括这三种金属的合金材料，是当今使用最为广泛的金属材料，以铁基金属材料为例，几乎90%以上机械零部件都采用铁基材料，尤其大量应用于各类摩擦件。据统计，全世界每年约30%的一次能源因为摩擦被消耗，约60%的机器零部件因为摩损而失效，约50%的机械装备恶性事故起源于润滑失效和过度磨损，减少摩擦、降低磨损意义重大。为了提高零部件的稳定性与使用寿命，除了采取合理的形状设计外，因金属材料表面状态显著影响其机械性能，还要对零部件表面进行多次处理，提高表面硬度、表面光洁度与耐腐蚀能力。

目前，关于金属表面处理方法，工业界广泛使用的方法有渗碳、渗氮、渗硼、渗铬等，可提高表面硬度与耐腐蚀能力，但这些方法都需要将零部件置于500度以上的高温氛围内，易导致零部件的变形，且对表面粗糙度降低没有贡献，还需要配合超精研磨来弥补变形造成的尺寸误差以及降低表面粗糙度。另外，喷丸工艺可提高表面硬度，但会造成光洁度下降，对耐腐蚀能力没有积极作用。因此，目前传统的处理方法还较为繁复或效果单一，不能通过一个工艺段就实现“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的综合目标。此外，中国科学院金属研究所近年来发明了“表面机械研磨（SMAT）、表面机械碾磨（SMGT）”处理方法，这些方法通过在金属表面形成纳米晶梯度结构，从而显著提高表面硬度，并且可将渗氮温度降低到300度，但由于表面纳米化后形成大量晶界，为氧原子以及其他腐蚀离子提供了通道，导致耐腐蚀性能降低。因此，开发一种同时具有“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的新工艺，可为金属表面处理提供新的选择，解决目前各种方法存在的局限。

层状硅酸盐矿物是在自然界中广泛分布，层状硅酸盐的人工可控合成工艺简便易行，近年来研究发现：在机械设备运行状态下，蛇纹石、高岭石以及凹凸棒石、蒙脱石等层状硅酸盐矿物通过润滑油/脂的传递作用介入到黑色金属摩擦副间，在摩擦所产生的应力及闪温作用下，会发生摩擦学物理化学作用，可在一定程度上对金属表面进行改性，改善金属表面化学成分与晶相结构，提高金属表面硬度、光洁度及耐腐蚀能力，优化摩擦学状态，进而降低摩擦系数，提高金属摩擦副的抗磨能力。蛇纹石等层状硅酸盐矿物表现出的减少摩擦修复磨损的功效，在摩擦学领域首次实现了从摩擦损失到磨损补偿的转变，为金属表面加工处理提供了一种新的思路，并可以拓宽黑色金属材料的使用范围，使得普通低成本材料（如碳钢）经过处理后达到高性能合金的指标，并可进一步提升高性能合金的抗磨耐蚀能力，也可以替代目前一些复杂的表面处理工艺，在达到相同指标情况下，降低表面处理成本。

目前为止，蛇纹石等层状硅酸盐主要应用于既有的机械装备上，通过模拟摩擦环境，探明关键工艺参数与金属表面性质的关联规律，主动处理金属表面并获得金属表面指定设计指标的技术开发工作尚处于空白状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题为，提供一种针对黑色金属的表面区域选择性处理、同时提高硬度和光洁度及耐蚀性能的处理方法。

本发明的技术方案为：

一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：