表面納米化對(duì)金屬材料耐磨性的影響分析

姚翔

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

前言

表面納米化技術(shù)具有三大優(yōu)勢(shì)。第一，實(shí)現(xiàn)材料表面納米化的操作簡(jiǎn)單，只需運(yùn)用常規(guī)的表面處理方式就能實(shí)現(xiàn)；第二，表面納米技術(shù)不會(huì)造成基體組織與表面納米組織的連接處的分離；第三，表面納米化既適用于金屬材料整體，還能改造它的局部性質(zhì)。

一、表面納米化的原理

研究表明，實(shí)現(xiàn)表面納米化的方式有兩種，一種是非平衡加熱法，另一種是表面機(jī)械處理法。本文以后一種方法為例，具體分析實(shí)現(xiàn)表面納米化的工作原理。

表面機(jī)械處理法是通過提升金屬材料表面的自由能力來達(dá)到塑性變形、顆粒細(xì)化的目的。接觸應(yīng)力作用于金屬表面會(huì)激活某種滑移系，生成高密度的位錯(cuò)。如果改變接觸應(yīng)力的方向，位錯(cuò)方向也隨之改變。

表面納米化的形成過程為：第一，金屬表面在接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪切帶；第二，晶界由小變大，生成獨(dú)立的小晶粒；第三，相鄰晶粒間發(fā)生取向變化。通過一系列循環(huán)作用，材料表面的晶粒升級(jí)變換為納米材料，完成表面納米化的工作。

二、表面納米化對(duì)金屬耐磨性的影響

總而言之，表面納米化技術(shù)通過對(duì)金屬材料表面的原子結(jié)構(gòu)和組織進(jìn)行重新改變，以此來提高金屬材料的耐磨性。金屬耐磨性主要受自身構(gòu)成元素影響，詳細(xì)闡釋見下文。

（一）影響金屬材料表面的力學(xué)性能

表面納米技術(shù)就像是為金屬表面建立一層保護(hù)罩一樣，通過保護(hù)罩的防護(hù)作用減少外部磨損，提高金屬耐磨性，由因?yàn)楸Ｗo(hù)罩是金屬表面的，所以不會(huì)改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這層保護(hù)罩就叫作納米層。對(duì)低碳鋼的進(jìn)行表面納米化，至少能將它的剛度提高三倍。實(shí)驗(yàn)證明，只需要對(duì)低碳鋼進(jìn)行90分鐘的納米化處理，它的延伸性。屈服強(qiáng)度都能發(fā)生顯著變化，其他數(shù)據(jù)變化微乎其微；如果進(jìn)行180分鐘的納米化處理，延伸率僅下降4%，但是屈服度提升了近40%。同時(shí)，316L不銹鋼進(jìn)行表面納米化處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述實(shí)驗(yàn)相近，不銹鋼的屈服強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)到170 Mpa。

（二）影響金屬材料表面的抗疲勞性

表面納米化處理技術(shù)有利于提高金屬的堅(jiān)硬度，使其強(qiáng)于其內(nèi)部的硬度。然而，通過用增強(qiáng)金屬堅(jiān)硬度的方法來提高其耐磨性也是有一定的不良影響的。金屬疲勞是指金屬零件在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)出現(xiàn)裂縫，如果補(bǔ)救不及時(shí)，那么金屬可能出現(xiàn)斷裂的情況，在進(jìn)行表面納米化后，納米晶結(jié)構(gòu)能夠有效地防治裂縫的出現(xiàn)，在根源處提高金屬的抗疲勞性能。

通過GGr15鋼進(jìn)行耐磨性檢測(cè)的過程中，發(fā)現(xiàn)在其表面納米化處理的15分鐘后，其自身的退火耐磨性增強(qiáng)了一倍。同時(shí)，在對(duì)20鋼的納米化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)金屬材料、流失等要素進(jìn)行觀測(cè)，并測(cè)試了20鋼的耐磨情況，結(jié)果表明在進(jìn)行納米化處理后，20鋼的表面硬度有了巨大的改觀，然而在運(yùn)用拋光處理后，其強(qiáng)度再次出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，同時(shí)表層的活性顯著提升，這極大地促進(jìn)了其金屬耐磨性的提升。

（三）影響金屬材料表面的抗腐蝕性

在對(duì)金屬進(jìn)行納米化處理后，金屬的穩(wěn)定性有了明顯的提升，同時(shí)，其表面材料相關(guān)參數(shù)也有了變化，實(shí)現(xiàn)了耐磨性的提高。金屬零件在服役過程里，如果溫度上升，那么金屬納米結(jié)果的穩(wěn)定性也會(huì)隨之升高，但是抗腐蝕性和磨性則與之相反。在0Cr18Ni9 不銹鋼的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用納米化處理的同時(shí)改變其溫度和時(shí)間等因素，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于500度時(shí)，金屬表面的晶粒體尺寸會(huì)保持原樣，其硬度無(wú)顯著變化。但是當(dāng)溫度高于500度時(shí)，其硬度下降，因?yàn)槠浔砻嬖咏Y(jié)構(gòu)和組織在加工、作用的情況下，產(chǎn)生了結(jié)晶。在1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的納米晶組織的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)其處于3.5%NaCl 溶液中，能夠有效地提高其動(dòng)電位極化，同時(shí)抗腐蝕性提高。然而，在對(duì)316L 不銹鋼進(jìn)行納米化后，其抗磨性程度則會(huì)降低。

因此，因此金屬的成分不同，其表面納米化的實(shí)施效果也不同。對(duì)活性金屬進(jìn)行表面納米化處理后，能夠提高其抗腐蝕的能力；但是惰性金屬在納米化處理后，可以在表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，不僅抗腐蝕性程度提高，而且其耐磨性也會(huì)相應(yīng)地提升。

三、表面納米化的發(fā)展趨勢(shì)

金屬材料納米化處理技術(shù)因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，可以預(yù)見的是，在未來，我國(guó)的工業(yè)技術(shù)在納米技術(shù)的促進(jìn)下，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的政策，將會(huì)實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)展。

（一）金屬表面納米化能夠提升金屬零件的耐腐蝕性、耐磨性、抗疲勞性等，延長(zhǎng)其使用壽命，降低工業(yè)成本。

（二）按照表面納米化技術(shù)原理，在進(jìn)行沉積、電鍍等手段應(yīng)用時(shí)，可以有效促進(jìn)納米晶的粗糙度和活性的完美結(jié)合，從而推廣出更多的高性能金屬材料。

（三）化學(xué)方式和表面納米化技術(shù)共同運(yùn)用，能夠降低工業(yè)金屬材料處理的花銷，而且還能提高金屬的耐磨性和抗腐蝕性。當(dāng)在化學(xué)方式中運(yùn)用表面納米化技術(shù)進(jìn)行輔助時(shí)，能夠在金屬材料表面生成負(fù)向表層，從而有望研發(fā)出昂貴金屬的新型替代品。

（四）納米技術(shù)應(yīng)用在異種金屬焊接技術(shù)里，通過納米經(jīng)理自身的擴(kuò)散性和塑造性，能夠提高焊接效率，并能降低焊接時(shí)的溫度，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬焊接工藝的全面把握。促進(jìn)納米化技術(shù)在焊接中的運(yùn)用，可以克服傳統(tǒng)焊接技術(shù)中的不足，提高焊接效率，增強(qiáng)異種金屬焊接的性能，對(duì)于促進(jìn)金屬工程的發(fā)展具有重要意義。

四、結(jié)語(yǔ)

表面納米化，對(duì)于提高金屬材料的性能、實(shí)現(xiàn)工業(yè)科研成果的跨越式發(fā)展具有關(guān)鍵性的作用。金屬的耐磨性受其自身元素構(gòu)成、抗腐蝕程度和抗疲勞能力等影響，所以表面納米化在工業(yè)金屬處理中的效果會(huì)根據(jù)金屬特性的不同而出現(xiàn)差異。但是，表面納米化可以有效地提高金屬的耐磨性，增強(qiáng)表層材料惰性，以此促進(jìn)抗腐蝕性的提升。因此，未來表面納米化的快速發(fā)展，必須要建立在對(duì)金屬材料性質(zhì)的全面把握之上。