一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法
【专利摘要】本发明提供一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法。本发明提供的方法工艺稳定、操作简单，可以在板状金属材料表面制备出微观形貌为层片状纳米晶粒的结构，从金属材料表层向材料内部方向依次呈现出纳米晶粒、亚微米晶粒、微米晶粒、原始粗晶粒片层状梯度分布的特征，在保持金属材料的塑性和韧性的同时有效提高了金属材料的强度和硬度。
【专利说明】
一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料表面处理技术领域，尤其涉及一种在板状金属表面制备层片 状梯度结构的方法。
【背景技术】
[0002] 在金属表面制备层片状梯度纳米结构是一种金属材料改性方法，是经过对金属表 面进行处理在金属材料表面分布一层微观组织特征为层片状晶粒形貌的梯度纳米结构，这 种改性方法能够显著提高金属材料的强度，并能同时保持金属材料原有的塑性不产生显著 降低，实现金属材料强度与塑性的完美匹配。
[0003] 目前在金属表面制备梯度纳米结构的方法主要包括基于剧烈塑性变形导致晶粒 细化的方法和基于机械研磨或高速喷丸冲击的方法。其中，剧烈塑性变形导致晶粒细化的 方法一般包括高压扭转法、等通道挤压和累积叠乳工艺，这类方法虽然可以显著细化晶粒， 提高金属材料的强度，但也存在明显的局限性:首先，这类方法由于受到剧烈塑性变形过程 中位错累积与湮灭的动态平衡，晶粒的细化存在临界值，一般金属晶粒细化的临界尺寸大 约在200nm，强度大约在lOOOMPa，无法实现强度的进一步提高；其次，该类方法获得的亚微 米晶材料由于可动位错密度较低，样品的均匀塑性很低低。基于机械研磨或高速喷丸冲击 的方法是通过表面塑性应变的不断累积，从而在金属材料表面制备出梯度纳米结构，综合 了梯度纳米结构的强度和心部粗晶材料的塑性，实现了强度与塑性的完美匹配，但该类方 法制备的纳米材料晶粒为等轴状，在热稳定性硬度等方面均不如层片状梯度纳米结构。
[0004] 现有技术中也公布了 一些在金属表面制备梯度纳米结构的方法，其中 CN103540727A公布了一种利用塑性变形制备金属二维纳米层片结构的方法，CN1438332公 布了一种金属表面超声速喷丸强化方法，上述技术均无法获得层片状的梯度纳米结构组 织，同时具备较好的硬度和塑性。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的 方法，包括：
[0006] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0007] (b)将所述板状金属件安装在卡具上，将所述卡具安装到数控车床的三抓卡盘上， 同时将带有钨钴合金球的滚动碾压装置固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的 转速，使所述卡具带动所述板状金属件以350-500r/min的转速旋转；
[0008] (c)使所述钨钴合金球对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球与所述板状金属件表面相切；
[0009] (d)将所述钨钴合金球压入所述板状金属件中10-100M1，然后沿所述板状金属件 表面中心至边缘的直线方向以0.01-0.04mm/r的速度滚动碾压1-5遍；
[0010] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球对所述板状金属件一侧表面全部区域 的滚动碾压；
[0011] (f)调换卡具上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0012] 进一步的，将所述钨钴合金球压入所述板状金属件中20-30WI1，并保持此压入深度 不变，从所述板状金属件一侧表面的中心以0.02-0.03mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至 所述板状金属件的边缘;使所述钨钴合金球复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将 所述钨钴合金球压入所述板状金属件中50-60M1，并保持此压入深度不变，以0.02-0.03mm/ r的速度沿原碾压轨迹滚动碾压。
[0013]进一步的，所述步骤(a)包括对所述板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所 述改性处理为将所述板状金属件浸入400-450 °C的改性液中浸泡6-8h。
[0014]进一步的，所述改性液包括如下重量份数的各成分：
[0015] 二氧化硅5-8聚合铝1-2碳酸铵0 ? 5-1磷酸胆碱0 ? 5-1。
[0016] 进一步的，所述步骤(d)-(f)中采用油性降温剂对所述钨钴合金球与所述板状金 属件的接触面进行喷雾处理。
[0017] 进一步的，所述方法还包括将经过步骤(f)处理后的所述板状金属件在200-240 °C 的羟基甲苯磺酰碘苯的浓度为0.5-1.5mol/L以及对甲苯磺酸的浓度为0.5-lmol/L的甲醇 溶液中浸泡1 _2h;然后在0.1 -0.5mo 1 /L的碳酸钠溶液中浸泡10-20min;再用蒸馏水冲洗后 烘干即可。
[0018] 进一步的，所述卡具包括底板，所述底板的一侧设有固定装置，所述底板的另一侧 设有夹紧柱。
[0019] 进一步的，所述滚动碾压装置包括安装座、与所述安装座连接的球托和位于球托 内的钨钴合金球，所述球托包括与所述安装座连接的承托座以及与所述承托座连接的夹紧 环，所述承托座内壁从连接夹紧环的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环的内壁从连接承托座的 一侧起逐渐收拢，所述夹紧环远离承托座一端的内壁直径小于所述钨钴合金球的直径，所 述夹紧环远离承托座一端至所述承托座远离所述夹紧环一端内壁之间的距离小于所述钨 钴合金球的直径。
[0020] 进一步的，所述固定装置为真空吸盘。
[0021] 进一步的，所述卡具上还设有与所述真空吸盘连接的真空栗。
[0022] 进一步的，所述夹紧柱上设有防滑纹。
[0023] 进一步的，所述滚动碾压装置上还设有喷雾装置。
[0024] 进一步的，所述安装座与所述球托间通过螺纹连接。
[0025] 本发明提供的方法工艺稳定、操作简单，可以在板状金属材料表面制备出微观形 貌为层片状纳米晶粒的结构，从金属材料表层向材料内部方向依次呈现出纳米晶粒、亚微 米晶粒、微米晶粒、原始粗晶粒片层状梯度分布的特征，在保持金属材料的塑性和韧性的同 时有效提高了金属材料的强度和硬度。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例12的卡具的结构示意图；
[0027] 图2为本发明实施例13的滚动碾压装置的结构示意图；
[0028] 图3为本发明实施例13的滚动碾压装置的剖视图；
[0029] 图4为本发明实施例14的卡具的结构示意图；
[0030] 图5为本发明实施例15的滚动碾压装置的结构示意图；
[0031] 图6为采用本发明实施例3的方法处理的板状退火态纯镍样品层片状结构的电镜 扫描图；
[0032] 其中：1卡具，2滚动碾压装置，3底板，4固定装置，5夹紧柱，6安装座，7球托，8钨钴 合金球，701承托座，702夹紧环，9真空吸盘，10防滑纹，11喷雾装置。
【具体实施方式】
[0033] 实施例1
[0034] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0035] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0036] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以350r/min的转速旋转；
[0037] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0038] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中lOwn，然后沿所述板状金属件表面 中心至边缘的直线方向以0.0 lmm/r的速度滚动碾压1遍；
[0039] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0040] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0041 ] 实施例2
[0042] 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0043] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0044] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以500r/min的转速旋转；
[0045] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0046] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中lOOwii，然后沿所述板状金属件表 面中心至边缘的直线方向以0.04mm/r的速度滚动碾压5遍；
[0047] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0048] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0049] 实施例3
[0050] 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0051] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0052] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0053] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切； [0054] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中15wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇15mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中40wii，并保持此压入深度不变，以0.015mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合 金球8压入所述板状金属件中80wii，并保持此压入深度不变，以0.035mm/r的速度沿原碾压 轨迹滚动碾压；
[0055] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0056] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0057] 实施例4
[0058] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0059] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0060] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0061] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0062] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中20wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇 . 〇2mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中50mi，并保持此压入深度不变，以0.02mm/r的速度沿原碾压轨迹 滚动碾压；
[0063] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0064] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0065] 实施例5
[0066] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0067] (a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；
[0068] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0069] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0070] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压；
[0071] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0072] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0073] 实施例6
[0074] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0075] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅5聚合铝1碳酸铵0.5磷酸胆碱0.5;
[0076] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0077] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0078] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中15wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇15mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中40wii，并保持此压入深度不变，以0.015mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合 金球8压入所述板状金属件中80wii，并保持此压入深度不变，以0.035mm/r的速度沿原碾压 轨迹滚动碾压；
[0079] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0080] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0081 ] 实施例7
[0082] 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0083] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅6聚合铝2碳酸铵0.8磷酸胆碱0.8;
[0084] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0085] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切； [0086] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wii，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压；
[0087] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0088] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0089] 实施例8
[0090] 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0091 ] (a)对待加工板状金属件进行碾压加工前预处理；
[0092] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0093] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0094] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中15wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇15mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中40wii，并保持此压入深度不变，以0.015mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合 金球8压入所述板状金属件中80wii，并保持此压入深度不变，以0.035mm/r的速度沿原碾压 轨迹滚动碾压，上述滚动碾压过程中均采用油性降温剂对所述钨钴合金球8与所述板状金 属件的接触面进行喷雾处理；
[0095] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0096] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0097] 实施例9
[0098] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0099] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅6聚合铝2碳酸铵0.8磷酸胆碱0.8;
[0100] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0101] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0102] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压，上述滚动碾压过程中均采用油性降温剂对所述钨钴合金球8与所述板状金属 件的接触面进行喷雾处理；
[0103] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0104] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0105] 实施例10
[0106] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0107] (a)对待加工板状金属件进行碾压加工前预处理；
[0108] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0109] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0110] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中15wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇15mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中40wii，并保持此压入深度不变，以0.015mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合 金球8压入所述板状金属件中80wii，并保持此压入深度不变，以0.035mm/r的速度沿原碾压 轨迹滚动碾压；
[0111] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0112] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备；
[0113] (g)将经过步骤(f)处理后的所述板状金属件在200 °C的羟基甲苯磺酰碘苯的浓度 为0.5mo 1 /L以及对甲苯磺酸的浓度为0.5mo 1 /L的甲醇溶液中浸泡2h ;然后在浓度为 O.lmol/L的碳酸钠溶液中浸泡lOmin;再用蒸馏水冲洗后烘干即可。
[0114] 实施例11
[0115] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0116] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅6聚合铝2碳酸铵0.8磷酸胆碱0.8;
[0117] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0118] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0119] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压，上述滚动碾压过程中均采用油性降温剂对所述钨钴合金球8与所述板状金属 件的接触面进行喷雾处理；
[0120] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0121] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备；
[0122 ] (g)将经过步骤(f)处理后的所述板状金属件在220 °C的羟基甲苯磺酰碘苯的浓度 为lmol/L以及对甲苯磺酸的浓度为0.8mol/L的甲醇溶液中浸泡1.5h;然后在浓度为 0.2mol/L的碳酸钠溶液中浸泡15min;再用蒸馏水冲洗后烘干即可。
[0123] 实施例12
[0124] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，如图1所示，与实施例1不同的 是:所述卡具1包括底板3,所述底板3的一侧设有固定装置4,所述底板3的另一侧设有夹紧 柱5。
[0125] 实施例13
[0126] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，如图2-3所示，与实施例1不同 的是:所述滚动碾压装置2包括安装座6、与所述安装座6连接的球托7和位于球托7内的钨钴 合金球8,所述球托7包括与所述安装座6连接的承托座701以及与所述承托座701连接的夹 紧环702,所述承托座701内壁从连接夹紧环702的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环702的内壁 从连接承托座701的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环702远离承托座701-端的内壁直径小于 所述钨钴合金球8的直径，所述夹紧环702远离承托座701-端至所述承托座701远离所述夹 紧环702-端内壁之间的距离小于所述钨钴合金球8的直径。
[0127] 实施例14
[0128] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，如图4所示，所述固定装置4为 真空吸盘9,所述卡具1上还设有与所述真空吸盘9连接的真空栗，所述夹紧柱5上设有防滑 纹10〇
[0129] 实施例15
[0130] -种在板状待加工板状金属件表面制备层片状梯度结构的方法，如图5所示，与实 施例13不同的是:所述滚动碾压装置2上还设有喷雾装置11，所述安装座6与所述球托7间通 过螺纹连接。
[0131] 对照例1
[0132] -种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0133] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅6碳酸铵0.8磷酸胆碱0.8;
[0134] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0135] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0136] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压；
[0137] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0138] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0139] 对照例2
[0140] 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：
[0141] (a)对待加工板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述 待加工板状金属件浸入420°C的改性液中浸泡7h，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅6碳酸钾2碳酸铵0.8磷酸胆碱0.8;
[0142] (b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控 车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以400r/min的转速旋转；
[0143] (c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合 金球8与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；
[0144] (d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中25wn，并保持此压入深度不变，从 所述板状金属件一侧表面的中心以〇.〇25mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属 件的边缘;使所述钨钴合金球8复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金 球8压入所述板状金属件中55wii，并保持此压入深度不变，以0.025mm/r的速度沿原碾压轨 迹滚动碾压；
[0145] (e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区 域的滚动碾压；
[0146] (f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两 侧表面层片状梯度结构的制备。
[0147] 微观结构的分布特征
[0148] 采用实施例3的方法处理板状退火态纯镍样品，然后将样品分别经200#，500#， 1000 #和2000#水磨砂纸上进行磨制，再用粒度为6mi的金刚石抛光液在锦纶抛光盘上进行大 约5分钟的研磨，最后进行机械抛光15-30分钟，机械抛光时转速控制在300-400r/min，将处 理好的样品在配备有背散射电子衍射系统的JE0L-JSM-6500F场发射型扫描电镜上进行微 观结构的扫描，扫描结果见图6。
[0149] 从图6中可以看出，样品的微观结构从表层至内部呈现出明显的层片状梯度结构。
[0150] 层片状梯度结构的硬度分布情况
[0151] 选用20R钢制作板状金属件，并采用实施例3的方法在板状金属件的表面制备层片 状梯度结构。采用显微硬度计对该板状金属件横截面的硬度进行了测试，测试结果见表1。
[0152] 表1硬度分布表
[0154] 由测试结果可知，该板状金属件横截面的维氏硬度从最表层260kgf/mm2逐渐减小 到内部的120kgf/mm 2,并表现出显著的层片状梯度结构特性。
[0155] 力学性能测试试验分析
[0156] 设置试验1-4和对比试验1-4,试验1-4分别采用实施例3、实施例5、实施例7、实施 例9的方法对板状金属件表面进行处理，对比试验1采用未经过任何处理的板状金属件，对 比试验2-5分别采用CN103540727A、CN1438332、对照例1、对照例2的方法对板状金属件表面 进行处理，上述试验及对比试验中板状金属件选用20R钢制作，其大小和形状均相同，测试 上述板状金属件的拉伸强度和断裂伸长率，试验结果见表2。
[0157] 表2力学性能分析
[0159] 将试验1的力学性能测试结果与对比试验1-3对比可知:采用本发明提供的方法在 板状金属件表面制备层片状梯度结构可以有效提高板状金属件的强度，并且可以同时保持 塑性变形能力无显著降低。
[0160] 将试验2和试验1的力学性能测试结果对比可知，选择钨钴合金球8的压入深度在 10-1 OOwii之间，以0.01 -0.04mm/r的速度滚动碾压1 -5遍的制备工艺可以使制备的层片状梯 度结构的分布更合理，板状金属件的强度性能更佳。
[0161] 将试验3的力学性能测试结果与试验2、对比试验1、对比试验2对比可知，在使用钨 钴合金球8对板状金属件进行碾压加工之前采用由二氧化硅、聚合铝、碳酸铵和磷酸胆碱组 成的改性液进行改性处理，可以在保持塑性变形能力的同时提高板状金属件的强度，减少 改性液的其中一个成分，或变化其中一个成分，提高板状金属件强度的效果会变差。
[0162] 将试验4和试验3的力学性能测试结果对比可知，在滚动碾压过程中采用油性降温 剂对所述板状金属件与钨钴合金球8接触面进行喷雾处理，可以起到润滑和降温的作用，改 善滚动碾压过程，使层片状梯度结构中的晶粒均匀规整，有效提高板状金属件的强度。
[0163] 耐腐蚀试验分析
[0164] 设置试验5和试验6,分别采用实施例3和实施例10的方法在板状金属件表面制备 层片状梯度结构，所述板状金属件选用〇 .5cm厚的20R钢制作，均裁剪成10cm X 10cm大小的 正方形。将上述板状金属件放入温度为35°C、湿度为98%的中性盐雾机中进行中性盐雾试 验，试验过程为将浓度为5 %的NaCl水溶液通过喷雾装置喷雾，让盐雾沉降到上述板状金属 件上，降雾量为2mL/(h ? cm2)，720h后从中性盐雾机中取出肉眼观察其表面腐蚀状态，试验 5中的板状金属件表面已经有大量的裂纹和多片的大块表皮鼓起，试验6中的板状金属件表 面仅有少量的点状腐蚀斑痕;然后清除板状金属件表面的可以清除的腐蚀产物，并用纯净 水冲洗后干燥、称重，试验5的板状金属件的重量损失为1.8%，试验6的板状金属件的重量 损失为〇. 3%。由上述试验结果可知，试验6中的板状金属件的耐腐蚀性明显好于试验5中的 板状金属件的耐腐蚀性，因此可以得出：表面具有层片状梯度结构的板状金属体先后采用 含有羟基甲苯磺酰碘苯和甲苯磺酸的甲醇溶液和碳酸钠溶液浸泡，可以有效提高表面具有 层片状梯度结构的板状金属体的耐腐蚀性。
[0165] 最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在 本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，其特征在于，所述方法包括： (a) 对待加工板状金属件进行加工前预处理； (b) 将所述板状金属件安装在卡具（1)上，将所述卡具（1)安装到数控车床的三抓卡盘 上，同时将带有钨钴合金球(8)的滚动碾压装置(2)固定安装在数控车床的刀架座上，调整 数控车床的转速，使所述卡具(1)带动所述板状金属件以350-500r/min的转速旋转； (c) 使所述钨钴合金球(8)对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合金 球(8)与所述板状金属件表面间距离，使所述钨钴合金球(8)与所述板状金属件表面相切； (d) 将所述钨钴合金球(8)压入所述板状金属件中10-100μπι，然后沿所述板状金属件表 面中心至边缘的直线方向以0.01-0.04mm/r的速度滚动碾压1-5遍； (e) 重复步骤(c)-(d); (f) 调换卡具（1)上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两侧 表面层片状梯度结构的制备。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)的具体过程为:将所述钨钴合 金球(8)压入所述板状金属件中20-30μπι，并保持此压入深度不变，从所述板状金属件一侧 表面的中心以0.02-0.03mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属件的边缘;使所 述钨钴合金球(8)复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金球(8)压入所 述板状金属件中50_60μπι，并保持此压入深度不变，以0.02-0.03mm/r的速度沿原碾压轨迹 滚动碾压。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括对所述板状金属件进行 去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述板状金属件浸入400-450 °C的改性液中 浸泡6-8h。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述改性液包括如下重量份数的各成分： 二氧化硅5-8聚合铝1-2碳酸铵0.5-1磷酸胆碱0.5-1。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)-(f)中采用油性降温剂对所 述钨钴合金球(8)与所述板状金属件的接触面进行喷雾处理。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将经过步骤(f)处理后的 所述板状金属件在200-240 °C的羟基甲苯磺酰碘苯的浓度为0.5-1.5mol/L以及对甲苯磺酸 的浓度为〇. 5-lmol/L的甲醇溶液中浸泡1-2h;然后在0.1-0.5mol/L的碳酸钠溶液中浸泡 10-20min;再用蒸馏水冲洗后烘干即可。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述卡具（1)包括底板(3)，所述底板(3)的 一侧设有固定装置(4)，所述底板(3)的另一侧设有夹紧柱(5)。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述滚动碾压装置(2)包括安装座(6)、与 所述安装座(6)连接的球托(7)和位于球托(7)内的钨钴合金球(8)，所述球托(7)包括与所 述安装座(6)连接的承托座(701)以及与所述承托座(701)连接的夹紧环(702)，所述承托座 (701)内壁从连接夹紧环(702)的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环（702)的内壁从连接承托座 (701)的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环(702)远离承托座(701)-端的内壁直径小于所述钨 钴合金球(8)的直径，所述夹紧环(702)远离承托座(701)-端至所述承托座(701)远离所述 夹紧环(702)-端内壁之间的距离小于所述钨钴合金球(8)的直径。9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于:所述固定装置(4)为真空吸盘(9)。
【文档编号】B21D43/00GK106001255SQ201610557483
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】何东, 李强, 阎昱, 杨明博, 管延智, 阳振峰
【申请人】何东