表面納米化對金屬材料耐磨性的影響分析

姚翔

（池州學院，安徽 池州 247000）

前言

表面納米化技術具有三大優勢。第一，實現材料表面納米化的操作簡單，只需運用常規的表面處理方式就能實現；第二，表面納米技術不會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。

一、表面納米化的原理

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

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

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

二、表面納米化對金屬耐磨性的影響

總而言之，表面納米化技術通過對金屬材料表面的原子結構和組織進行重新改變，以此來提高金屬材料的耐磨性。金屬耐磨性主要受自身構成元素影響，詳細闡釋見下文。

（一）影響金屬材料表面的力學性能

表面納米技術就像是為金屬表面建立一層保護罩一樣，通過保護罩的防護作用減少外部磨損，提高金屬耐磨性，由因為保護罩是金屬表面的，所以不會改變材料的內部結構，而這層保護罩就叫作納米層。對低碳鋼的進行表面納米化，至少能將它的剛度提高三倍。實驗證明，只需要對低碳鋼進行90分鐘的納米化處理，它的延伸性。屈服強度都能發生顯著變化，其他數據變化微乎其微；如果進行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，316L不銹鋼進行表面納米化處理的實驗結果和上述實驗相近，不銹鋼的屈服強度會增強到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有利于提高金屬的堅硬度，使其強于其內部的硬度。然而，通過用增強金屬堅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期使用過程中會出現裂縫，如果補救不及時，那么金屬可能出現斷裂的情況，在進行表面納米化后，納米晶結構能夠有效地防治裂縫的出現，在根源處提高金屬的抗疲勞性能。

通過GGr15鋼進行耐磨性檢測的過程中，發現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了一倍。同時，在對20鋼的納米化檢測實驗中，對金屬材料、流失等要素進行觀測，并測試了20鋼的耐磨情況，結果表明在進行納米化處理后，20鋼的表面硬度有了巨大的改觀，然而在運用拋光處理后，其強度再次出現升高的現象，同時表層的活性顯著提升，這極大地促進了其金屬耐磨性的提升。

（三）影響金屬材料表面的抗腐蝕性

在對金屬進行納米化處理后，金屬的穩定性有了明顯的提升，同時，其表面材料相關參數也有了變化，實現了耐磨性的提高。金屬零件在服役過程里，如果溫度上升，那么金屬納米結果的穩定性也會隨之升高，但是抗腐蝕性和磨性則與之相反。在0Cr18Ni9 不銹鋼的實驗中，運用納米化處理的同時改變其溫度和時間等因素，會發現當溫度低于500度時，金屬表面的晶粒體尺寸會保持原樣，其硬度無顯著變化。但是當溫度高于500度時，其硬度下降，因為其表面原子結構和組織在加工、作用的情況下，產生了結晶。在1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的納米晶組織的實驗中，當其處于3.5%NaCl 溶液中，能夠有效地提高其動電位極化，同時抗腐蝕性提高。然而，在對316L 不銹鋼進行納米化后，其抗磨性程度則會降低。

因此，因此金屬的成分不同，其表面納米化的實施效果也不同。對活性金屬進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，可以在表面形成穩定的鈍化膜，不僅抗腐蝕性程度提高，而且其耐磨性也會相應地提升。

三、表面納米化的發展趨勢

金屬材料納米化處理技術因為其獨特的優勢，在工業生產中應用廣泛，可以預見的是，在未來，我國的工業技術在納米技術的促進下，堅持可持續發展的政策，將會實現突破性的發展。

（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，延長其使用壽命，降低工業成本。

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

（三）化學方式和表面納米化技術共同運用，能夠降低工業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。當在化學方式中運用表面納米化技術進行輔助時，能夠在金屬材料表面生成負向表層，從而有望研發出昂貴金屬的新型替代品。

（四）納米技術應用在異種金屬焊接技術里，通過納米經理自身的擴散性和塑造性，能夠提高焊接效率，并能降低焊接時的溫度，以此實現對金屬焊接工藝的全面把握。促進納米化技術在焊接中的運用，可以克服傳統焊接技術中的不足，提高焊接效率，增強異種金屬焊接的性能，對于促進金屬工程的發展具有重要意義。

四、結語

表面納米化，對于提高金屬材料的性能、實現工業科研成果的跨越式發展具有關鍵性的作用。金屬的耐磨性受其自身元素構成、抗腐蝕程度和抗疲勞能力等影響，所以表面納米化在工業金屬處理中的效果會根據金屬特性的不同而出現差異。但是，表面納米化可以有效地提高金屬的耐磨性，增強表層材料惰性，以此促進抗腐蝕性的提升。因此，未來表面納米化的快速發展，必須要建立在對金屬材料性質的全面把握之上。