碳钢的表面纳米合金化

Preparatory observations showed that surface mechanical attrition treatment (SMAT) can be applied to coat carbon steel plates with AISI 304 stainless steel powders. The target was used as part of the wall of the SMAT container and the powders were ball-milled as usual. As the balls carry some powder onto the plate, a coating with nanocrystalline alloying develops. In this proposal, we prepare a 20 steel and a 45 steel sample, and their surface nanocrystalline alloying is investigated in detail. Samples are characterized by means of X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), scanning electron microscope (SEM), electron probe, microhardness and nanoindentation tests. The main work includes:.1) To prepare surface nanocrystalline alloying sample by means of SMAT, and to reveal structures and properties of samples in detail..2) To investigate the thermal stability of nanostructed surface layer and the recrystallinzation behavior of deformation zone in surface nanocrystalline alloying sample..3) To measure diffusion of Cr and Ni in nanostructed surface layer after annealing at different temperatures, and to discuss phase transformation in AISI 304 stainless steel layer in surface nanocrystalline alloying sample. .4) To investigate hardness, wear resistance and corrosion resistance for surface nanocrystalline alloying sample in comparison with those in conventional 304 stainless steels.. We expect to demonstrate significant advancement in surface modification when surface nanocrystalline alloying is applied.

预先研究表明：采用表面机械研磨(SMAT)方法可以将AISI 304不锈钢粉体镶嵌覆盖在碳钢表面，实现碳钢的表面纳米合金化。在研磨过程中向罐中加入适量的不锈钢粉体，钢球携带粉体不断撞击样品表面，就可形成均匀致密的纳米结构覆盖层，该层具有优良的耐蚀性。本项目拟采用20钢和45钢为实验材料，对碳钢的表面纳米合金化过程进行深入研究。主要包括：1）通过XRD、SEM、TEM、电子探针和纳米压痕仪等测量手段，对碳钢表面纳米合金化样品的结构和性能进行研究，优化其制备工艺；2）揭示纳米结构中的晶粒生长、再结晶、扩散和相变等行为的规律性；3）通过与普通不锈钢对比，研究纳米合金化样品的硬度、耐磨性和耐蚀性等。本项目对表面纳米合金化研究具有重要的理论与实际意义，研究结果可望拓展传统碳钢表面改性的理论和工艺。

在本项目研究过程中，我们制备了表面纳米合金化样品。在研磨过程中通过向罐中加入适量的不锈钢、铝合金和钛合金粉体，钢球携带粉体不断撞击样品表面，就可形成均匀致密的纳米结构覆盖层。本项目使用 X 射线、SEM、TEM和硬度测试等手段，深入研究了碳钢表面纳米合金化的过程、样品的结构和性能等，提出了优化的制备工艺；发现表面纳米合金化样品表面合金层晶粒尺寸约为55纳米，深度约40微米，次表层形成一个强塑性变形区，深度约为50-100微米。当样品退火时，表面纳米合金化层和强塑性变形区均发生晶粒生长、再结晶、扩散和相变等行为，本项目对其进行了详细研究，并进行相应的理论解析。碳钢经过表面纳米合金化后，纳米层微观硬度高达600HV，表面耐磨性和耐蚀性等都大幅度提高。本项目对表面纳米合金化研究具有重要的理论与实际意义，研究结果可望拓展传统碳钢表面改性的理论和工艺。另外，为了适合工业化生产的需求，我们还采用轧制和复合的方式在碳钢表面制备了钛合金层，而后再进行表面纳米化和渗氮，在碳钢表面形成钛氮纳米合金化层，获得了良好的效果。.在项目执行过中，参加国际会议 2 次，并做学术报告；发表论文5篇，其中 SCI 收录论文 3 篇，EI 收录 2篇。申报相关发明专利1项。.