基本信息
- 项目名称：
- 一种基于SMAT的纯铁表面纳米合金强化新方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 材料失效多开始于其表面，因而借助材料表面处理技术提高材料的耐磨性、耐蚀性，降低生产成本，制造出具有各种表面功能的新型复合材料，无疑具有重要的科学意义和应用价值。本方法在纯铁表面机械研磨制备纳米材料时添加镍粉，实现了表面纳米合金化，随后的热处理过程促使表面进一步合金化。OM,SEM,GDS测试结果显示：纯铁表面加镍粉机械研磨后，镍粉均匀镶嵌在纯铁基体上并扩散进其内部，形成了一层约110μm，含有金属间化合物，固溶体等的铁镍合金层；在一定温度退火时FeNi固溶相，金属间化合物含量增加；合金化后耐腐蚀性显著提高；采用同样工艺，加入C，ZrO2和WC等粉体制备了纯铁表面合金层，经测试表面的耐磨性得到了显著提高；该方法无需昂贵设备，操作简便易行，所获得的纳米合金层具有优异的性能，应用前景十分广阔，已申请专利。
- 详细介绍：
- 本方法借助材料表面处理技术提高材料的耐磨性、耐蚀性，降低生产成本，制造出具有各种表面功能的新型复合材料，无疑具有重要的科学意义和应用价值。传统的表面合金化方法很多，如激光表面合金化法、电子束合金化法、离子注入技术、等离子表面合金化等，这些方法各有优缺点，但总体上看设备较昂贵，工艺复杂、生产效率不高，工业化应用受到了一定限制。因此开发简单易行的表面合金化方法是材料研究工作者追求的目标之一。 基于在机械研磨的过程中，弹丸中的合金元素会扩散至基体材料中，会在被处理材料的表面形成合金化层，这给了我们很好的启发。我们在纯铁表面在机械研磨时，在样品罐中添加镍粉，SAMT后的纯铁表面获得了具有一定厚度的铁镍混合层。然后对其在不同温度下进行热处理后并获得了铁镍合金层组织，定性分析了纯铁表面的组织成分的变化以及铁镍合金层中Fe和Ni原子的扩散行为，并侧重研究了纯铁表面铁镍合金化以及热处理后的耐腐蚀性能。采用同样工艺，加入C，ZrO2和WC等粉体制备了纯铁表面合金层，经测试表面的耐磨性得到了显著提高；该方法无需昂贵设备，操作简便易行，所获得的纳米合金层具有优异的性能，应用前景十分广阔，已申请专利。 纯铁加镍粉SMAT后表面大致分为四个不同的区域：（Ⅰ）镍层（0-5μm，其中有凹陷的部位外露出铁镍混合层）、（Ⅱ）铁镍混合层（5-110μm,用Fe&Ni表示）、（Ⅲ）纯铁变形层（110-120μm）和（Ⅳ）纯铁基体层（﹥120μm），这四个区域之间并没有明显的分界线。 镍粉的嵌入、铁镍的互溶以及晶粒细化提高了纯铁表面层的耐腐蚀性能，而铁的氧化降低了纯铁表面层的耐腐蚀性能。 材料的耐磨性在加入粉体表面合金化后得到了显著提高，特别是加入二氧化锆、碳化钨后耐磨性大大提高。金属加其他金属粉末经表面机械研磨后，可以在金属表面获得一定厚度的混合合金层，设备简单，工艺易行，易实现工业化生产。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 借助材料表面处理技术提高材料的耐磨性、耐蚀性，降低生产成本，制造出具有各种表面功能的新型复合材料，无疑具有重要的科学意义和应用价值。本项目基于纯铁为基的金属板材作为研究对象，利用金属表面机械研磨技术在材料表层形成了金属合金层，并获得一定厚度的纳米晶结构层，所获得的纳米结构表层具有较好的耐腐蚀性能和较高的耐磨性能，为延长材料的使用寿命和提高材料的表面性能提供了新的思路和方法。经过进一步研究比较纳米晶强化层的组织结构、演化过程及界面结构；测试其力学、耐蚀性等物理化学性能，弄清合金元素在纳米晶材料中的扩散行为，热力动力学过程，有望进一步改善材料表面的性能，拓宽纳米材料的应用范围，提供工程实际应用。加其他金属粉末经表面机械研磨后，可以在金属表面获得一定厚度的混合合金层，该方法无需昂贵设备，操作简便易行，所获得的纳米合金层具有优异的性能，应用前景十分广阔。
科学性、先进性
- 目前纳米材料应用研究中不断有突破的领域，该方法是在直接与环境接触的材料表面制备出一定厚度的与基体材质相同的纳米结构合金化表面层，从而提高了工程材料的疲劳、摩擦和磨损等性能,克服了目前三维尺寸纳米晶块体材料制备技术上的困难。是能够将纳米合金强化材料应用于生产实际的方法，具有广泛的应用前景和要的实际意义。
获奖情况及鉴定结果
- 《Applied surface science》(已接收)
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 协议
作品可展示的形式
- 图片，实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 利用此方法可达到使表面能达到与基体性能差异很大，从而制作功能梯度材料； 也可利用其优越的耐腐蚀性能，制成管壁的内衬，提高管子的使用寿命等等。其经济效益和社会效益是潜在和巨大的。 加不同性能的金属粉末经表面机械研磨后，可以在金属表面获得一定厚度的纳米合金层，该方法无需昂贵设备，操作简便易行，所获得的纳米合金层具有优异的性能，是能够将纳米合金强化材料应用于生产实际的方法，应用前景十分广阔。
同类课题研究水平概述
- 传统的表面合金化方法很多，如激光表面合金化法，电子束合金化法，离子注入技术，等离子表面合金化等，这些方法各有优缺点，但总体上看设备较昂贵，工艺复杂、生产效率不高，工业化应用受到了一定限制。因此开发简单易行的表面合金化方法是材料研究工作者追求的目标之一。 近20年来, 表面机械研磨技术（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）是在机械球磨基础上发展起来的一种新的表面处理方法，可在块体材料表层制备出无污染致密的纳米晶体材料，具有工艺简单，易实现工业化等优点。其基本的原理是在外加载荷的重复作用下，弹丸以不同的角度撞击材料表面，每一次撞击都导致材料表层高速率的塑性变形，连续多方向高速率的撞击使得材料表面的粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。目前，采用表面机械研磨技术已经实现了工业纯铁，低碳钢，不锈钢，Al合金，Cu，AZ91D，共析钢，Fe-Ni合金 和Co等多种金属的表面纳米化。经过表面机械研磨处理以后的表层具有很高的化学活性，会促进后续的热处理进程 。 在机械研磨的过程中，弹丸中的合金元素会扩散至基体材料中，会在被处理材料的表面形成合金化层，既然弹丸中的合金元素可以进入基体材料形成合金层，那么，如果是直接选用粉体材料作为媒介，利用弹丸将其带到金属表面，在不断的研磨过程中又会发生怎样的现象？因此以此制备表面纳米合金层就是我们研究的主攻方向。 迄今为止，该方法强化金属的研究仅限于单一的单质材料，关于用此方法开展的合金强化技术未见报道，因此研究具有一定的开创性。
