工业纯铁表面纳米合金化改性及原子扩散行为分析

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1、工业纯铁表面纳米合金化改性及原子扩散行为分析1绪论1.1课题选题背景及意义金属材料表面合金化改性是提高其耐蚀性、耐磨性从而延长其使用寿命的重要方法。虽然经过多年的发展，开发了众多的表面合金化改性技术，然而随着科学技术的不断进步，对材料表面性能的要求也越来越高，表面合金化技术本身也需要不断改进，以满足科技进步的需要。经过多年发展，表面合金化改性已不仅是提高金属材料使用寿命的重要方法，也是一种重要的材料制备方法[1-3]。目前金属材料表面合金化的方法基本上可以分为两类：第一类是采用表面冶金的方法，即通过在材料表面输入高密

2、度的能量，致使表面层溶化，在熔池内再进行合金化。第二类是采用固态渗金属的方法，在这类方法中，文献报道最多的是双层辉光离子渗金属技术。在渗金属过程中，工件温度控制在1323K，保温时间为5.5h。随后，经过适当的时效处理和固溶处理，得到了同时具有良好的耐蚀性和耐磨性的表面合金层。对于表面冶金的方法来说，在表面合金化时需要使基材表面产生熔化，同时，在临近表面熔化区附近形成热影响区，即在表面形成了类似焊接接头的组织[4-9]。传统表面合金化技术普遍需要长时间高温扩渗处理，不仅造成了能源、资源的浪费，表面合金化层中缺陷多导致

3、其耐蚀性和耐磨性往往达不到预期效果；长时间高温处理还会对基体组织产生不利影响。所以降低扩渗温度，缩短表面合金化温度是金属表面改性需要解决的难题。自表面工程学科诞生以来，表面工程发展大致经理了三个阶段，第一代为传统的单一表面工程阶段，第二代为复合表面工程阶段，第三阶段是将纳米材料与表面处理技术相结合的纳米表面工程阶段[1]。所以，将纳米材料和表面技术相结合已经成为表面改性的重要方向，并且这为解决上述表面合金化面临的难题提供了思路和可能。纳米材料制备与应用技术虽然取得了长足进步，很多纳米材料已实现工业化生产，但受制备工艺

4、复杂、成本高、材料外形尺寸小、内部孔洞和污染等因素的影响，整体的、具有纳米尺度晶粒的金属材料至今难以在工业上取得实际的应用[10-12]。因此，开发一种简易可行的制备技术，制备出能够对合金元素扩渗起促进作用的纳米材料，并将该技术与表面合金化扩渗技术相结合，形成一种新的纳米表面改性技术，对于促进纳米材料的制备与应用，丰富和完善纳米表面工程技术及其理论具有重要意义。不仅如此，纳米表面改性技术对于充分发挥材料的潜力、节约昂贵的合金资源及节能减排也具有重要的实际意义。例如，不锈钢在生产时需要消耗大量的矿产资源和能源，同时，还

5、要排出废水，废气和废渣，对周围环境造成较大的污染。实际上，不锈钢的腐蚀行为都只与表面金属与环境介质之间的化学反应和电化学反应有直接的关系。如果能够对普通材料进行表面改性，在表面形成类似于不锈钢性能的合金化改性层，不仅可以克服不锈钢力学性能的不足，还能满足表面耐蚀的要求。而廉价材料不锈钢化的实质需要在较低的温度下实现元素的快速渗入。所以，本课题的研究工作还具有重要的实际意义。1.2纳米表面合金化的构想前已述及，只有降低表面合金化的温度、缩短处理时间，才能保证合金化渗层和基材同时具有较好耐腐蚀性能和力学性能。但目前方法制

6、备的纳米材料，很多都不适合用于扩散的研究。近年来，通过在金属材料表面一定的深度内，将原始的粗晶粒转化成为超细晶粒或纳米晶粒，而保持化学成分和（或）相组成不变，即表面自纳米化，成功制备出了多种适合扩散研究的纳米晶材料。表面机械研磨处理（SMAT）是在传统喷丸的基础上开发的一项新技术，可用于金属表面自纳米化处理。采用SMAT技术，已经成功地在多种纯金属和合金表面制备了自纳米化层，根据金属结构的不同，其厚度从几十到几百微米不等，晶粒范围在几到几十纳米范围[13-16]。表面机械研磨处理（SMAT）的过程为：利用一定能量的硬

7、质球体反复冲击被处理试样的表面，其质量和能量必须能够让金属表面发生塑性变形，金属表面在弹丸的作用下反复塑性变形，大晶粒逐渐被细化到纳米量级[17-18]。所以根据其原理，该方法主要用于金属材料的表面自纳米化处理。通过对这些纳米晶组织结构的研究表明，金属自纳米化组织不含有孔洞、杂质等缺陷，也没有被氧化，可在一定温度范围内保持纳米晶，适合用于扩散研究和元素进一步扩渗改性[19-23]。然而，人们对于原子在纳米晶中扩散本质的了解还不够，迄今为止，有关原子在纳米晶中扩散的实验数据仍然是有限的和分散的。现有的实验研究大部分是用

8、由惰性气体冷凝法制备的超细金属粉末制备的纳米晶样品，其中纳米尺度的孔洞和气体污染是无法避免的，而扩散动力学将显著地受到这些工艺缺陷的影响。对于用严重塑性变形法获得的纳米晶样品，晶粒尺寸通常较大（100nm以上），纳米晶粒的尺寸效应难以体现出来[24-25]。而采用表面机械研磨处理获得的纳米晶样品，表层一定深度内的晶粒尺寸在100nm以内，且具有