基本信息
- 項目名稱：
- 一種基于SMAT的純鐵表面納米合金強化新方法
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 材料失效多開始于其表面，因而借助材料表面處理技術提高材料的耐磨性、耐蝕性，降低生產(chǎn)成本，制造出具有各種表面功能的新型復合材料，無疑具有重要的科學意義和應用價值。本方法在純鐵表面機械研磨制備納米材料時添加鎳粉，實現(xiàn)了表面納米合金化，隨后的熱處理過程促使表面進一步合金化。OM,SEM,GDS測試結(jié)果顯示：純鐵表面加鎳粉機械研磨后，鎳粉均勻鑲嵌在純鐵基體上并擴散進其內(nèi)部，形成了一層約110μm，含有金屬間化合物，固溶體等的鐵鎳合金層；在一定溫度退火時FeNi固溶相，金屬間化合物含量增加；合金化后耐腐蝕性顯著提高；采用同樣工藝，加入C，ZrO2和WC等粉體制備了純鐵表面合金層，經(jīng)測試表面的耐磨性得到了顯著提高；該方法無需昂貴設備，操作簡便易行，所獲得的納米合金層具有優(yōu)異的性能，應用前景十分廣闊，已申請專利。
- 詳細介紹：
- 本方法借助材料表面處理技術提高材料的耐磨性、耐蝕性，降低生產(chǎn)成本，制造出具有各種表面功能的新型復合材料，無疑具有重要的科學意義和應用價值。傳統(tǒng)的表面合金化方法很多，如激光表面合金化法、電子束合金化法、離子注入技術、等離子表面合金化等，這些方法各有優(yōu)缺點，但總體上看設備較昂貴，工藝復雜、生產(chǎn)效率不高，工業(yè)化應用受到了一定限制。因此開發(fā)簡單易行的表面合金化方法是材料研究工作者追求的目標之一。 基于在機械研磨的過程中，彈丸中的合金元素會擴散至基體材料中，會在被處理材料的表面形成合金化層，這給了我們很好的啟發(fā)。我們在純鐵表面在機械研磨時，在樣品罐中添加鎳粉，SAMT后的純鐵表面獲得了具有一定厚度的鐵鎳混合層。然后對其在不同溫度下進行熱處理后并獲得了鐵鎳合金層組織，定性分析了純鐵表面的組織成分的變化以及鐵鎳合金層中Fe和Ni原子的擴散行為，并側(cè)重研究了純鐵表面鐵鎳合金化以及熱處理后的耐腐蝕性能。采用同樣工藝，加入C，ZrO2和WC等粉體制備了純鐵表面合金層，經(jīng)測試表面的耐磨性得到了顯著提高；該方法無需昂貴設備，操作簡便易行，所獲得的納米合金層具有優(yōu)異的性能，應用前景十分廣闊，已申請專利。 純鐵加鎳粉SMAT后表面大致分為四個不同的區(qū)域：（Ⅰ）鎳層（0-5μm，其中有凹陷的部位外露出鐵鎳混合層）、（Ⅱ）鐵鎳混合層（5-110μm,用Fe&Ni表示）、（Ⅲ）純鐵變形層（110-120μm）和（Ⅳ）純鐵基體層（﹥120μm），這四個區(qū)域之間并沒有明顯的分界線。 鎳粉的嵌入、鐵鎳的互溶以及晶粒細化提高了純鐵表面層的耐腐蝕性能，而鐵的氧化降低了純鐵表面層的耐腐蝕性能。 材料的耐磨性在加入粉體表面合金化后得到了顯著提高，特別是加入二氧化鋯、碳化鎢后耐磨性大大提高。金屬加其他金屬粉末經(jīng)表面機械研磨后，可以在金屬表面獲得一定厚度的混合合金層，設備簡單，工藝易行，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 借助材料表面處理技術提高材料的耐磨性、耐蝕性，降低生產(chǎn)成本，制造出具有各種表面功能的新型復合材料，無疑具有重要的科學意義和應用價值。本項目基于純鐵為基的金屬板材作為研究對象，利用金屬表面機械研磨技術在材料表層形成了金屬合金層，并獲得一定厚度的納米晶結(jié)構(gòu)層，所獲得的納米結(jié)構(gòu)表層具有較好的耐腐蝕性能和較高的耐磨性能，為延長材料的使用壽命和提高材料的表面性能提供了新的思路和方法。經(jīng)過進一步研究比較納米晶強化層的組織結(jié)構(gòu)、演化過程及界面結(jié)構(gòu)；測試其力學、耐蝕性等物理化學性能，弄清合金元素在納米晶材料中的擴散行為，熱力動力學過程，有望進一步改善材料表面的性能，拓寬納米材料的應用范圍，提供工程實際應用。加其他金屬粉末經(jīng)表面機械研磨后，可以在金屬表面獲得一定厚度的混合合金層，該方法無需昂貴設備，操作簡便易行，所獲得的納米合金層具有優(yōu)異的性能，應用前景十分廣闊。
科學性、先進性
- 目前納米材料應用研究中不斷有突破的領域，該方法是在直接與環(huán)境接觸的材料表面制備出一定厚度的與基體材質(zhì)相同的納米結(jié)構(gòu)合金化表面層，從而提高了工程材料的疲勞、摩擦和磨損等性能,克服了目前三維尺寸納米晶塊體材料制備技術上的困難。是能夠?qū)⒓{米合金強化材料應用于生產(chǎn)實際的方法，具有廣泛的應用前景和要的實際意義。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 《Applied surface science》(已接收)
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 協(xié)議
作品可展示的形式
- 圖片，實物
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 利用此方法可達到使表面能達到與基體性能差異很大，從而制作功能梯度材料； 也可利用其優(yōu)越的耐腐蝕性能，制成管壁的內(nèi)襯，提高管子的使用壽命等等。其經(jīng)濟效益和社會效益是潛在和巨大的。 加不同性能的金屬粉末經(jīng)表面機械研磨后，可以在金屬表面獲得一定厚度的納米合金層，該方法無需昂貴設備，操作簡便易行，所獲得的納米合金層具有優(yōu)異的性能，是能夠?qū)⒓{米合金強化材料應用于生產(chǎn)實際的方法，應用前景十分廣闊。
同類課題研究水平概述
- 傳統(tǒng)的表面合金化方法很多，如激光表面合金化法，電子束合金化法，離子注入技術，等離子表面合金化等，這些方法各有優(yōu)缺點，但總體上看設備較昂貴，工藝復雜、生產(chǎn)效率不高，工業(yè)化應用受到了一定限制。因此開發(fā)簡單易行的表面合金化方法是材料研究工作者追求的目標之一。 近20年來, 表面機械研磨技術（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）是在機械球磨基礎上發(fā)展起來的一種新的表面處理方法，可在塊體材料表層制備出無污染致密的納米晶體材料，具有工藝簡單，易實現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)點。其基本的原理是在外加載荷的重復作用下，彈丸以不同的角度撞擊材料表面，每一次撞擊都導致材料表層高速率的塑性變形，連續(xù)多方向高速率的撞擊使得材料表面的粗晶組織通過不同方向產(chǎn)生的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。目前，采用表面機械研磨技術已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)純鐵，低碳鋼，不銹鋼，Al合金，Cu，AZ91D，共析鋼，F(xiàn)e-Ni合金 和Co等多種金屬的表面納米化。經(jīng)過表面機械研磨處理以后的表層具有很高的化學活性，會促進后續(xù)的熱處理進程 。 在機械研磨的過程中，彈丸中的合金元素會擴散至基體材料中，會在被處理材料的表面形成合金化層，既然彈丸中的合金元素可以進入基體材料形成合金層，那么，如果是直接選用粉體材料作為媒介，利用彈丸將其帶到金屬表面，在不斷的研磨過程中又會發(fā)生怎樣的現(xiàn)象？因此以此制備表面納米合金層就是我們研究的主攻方向。 迄今為止，該方法強化金屬的研究僅限于單一的單質(zhì)材料，關于用此方法開展的合金強化技術未見報道，因此研究具有一定的開創(chuàng)性。
