一种金属材料滚轮式表面纳米化方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属材料滚轮式表面纳米化的方法，属于金属材料表面纳米化技术领域。该方法采用滚轮式表面纳米化加工系统对金属材料回转件进行处理，金属材料表面在滚轮的可控滚压作用下产生梯度塑性变形，从而使材料表面产生梯度组织细化层，梯度组织细化层深度最大可达800μm，最表层的组织结构由粗晶结构转变为纳米晶结构。经过滚轮式表面纳米化处理之后，金属材料表面光洁度有不同幅度的提升，表层硬度由表及里呈梯度变化，表面硬度值比基体硬度值显著提高。
【专利说明】
一种金属材料滚轮式表面纳米化方法
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料表面纳米化技术领域，具体涉及一种金属材料滚轮式表面纳米化方法。
【背景技术】
[0002]工程金属材料及器件在使役环境下破坏的主要形式包括疲劳失效、腐蚀失效和磨损失效等，而这些失效与材料的表面组织结构及性能直接相关。因此，提高金属材料及器件的表面性能将大大提升其使役行为及使用寿命。现有提高金属材料表面性能的方法主要包括表面沉积涂层、表面合金化、表面机械处理等。表面沉积涂层方法是利用气相沉积或喷涂等方法在金属材料表面制备出具有特殊性能的涂层，以适应复杂的服役环境。但是，该方法存在涂层与基体之间结合问题，在苛刻的使役环境中往往会发生涂层与基体之间产生裂纹甚至涂层剥落，大大降低材料的服役寿命。表面合金化是利用渗碳、渗铝、渗氮等技术改变金属材料表面相结构及性能，在表面制备出合金化层的方法。该方法具有高能耗、工艺流程复杂等特点，往往需要较高的温度及处理时间，并且对环境有一定程度的污染。表面机械处理方法主要包括喷丸、深滚压、超声机械冲击表面强化、激光冲击强化、表面机械研磨处理(SMAT)等。喷丸、深滚压、超声机械冲击表面强化及激光冲击强化等方法可提高金属材料的表面硬度，并在其表面获得一定深度的残余压应力层，它将有效改善金属材料的疲劳性能。但是，上述方法对金属材料表面硬度提升的幅度有限，并且表层残余压应力在使役过程中容易释放，这将大大降低强化效果。SMAT作为一种表面纳米化方法，可在金属材料表面获得一定深度的纳米结构层，改善金属材料的性能。但是，SM A T处理效率有限，并且金属材料经SMAT处理之后表面粗糙度Ra显著增加，这限制了 SMAT表面纳米化技术的应用领域。
[0003]因此，亟需一种新型表面纳米化技术，在金属材料回转件表面产生梯度纳米结构层，并且梯度纳米结构层的厚度可控;经处理后，金属材料回转件表面的粗糙度Ra值降低，表面光洁度有不同程度的改善，金属材料表面硬度大幅度提升，以实现强化的效果。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种金属材料滚轮式表面纳米化的方法，该方法可对金属材料回转件进行表面纳米化处理。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]—种金属材料滚轮式表面纳米化的方法，该方法采用滚轮式表面纳米化加工系统对金属材料回转件进行表面纳米化处理，使金属材料表面在滚轮式表面纳米化加工系统产生的可控滚压作用下产生梯度塑性变形，从而使材料最表层的组织结构由粗晶结构转变为纳米晶结构。
[0007]所述金属材料为低碳钢、奥氏体不锈钢或调质合金钢。
[0008]所述滚轮式表面纳米化加工系统包括滚轮式表面纳米化加工刀具、冷却润滑系统及自动变位系统;其中:所述滚轮式表面纳米化加工刀具包括滚轮、支撑轴和支撑刀柄，所述滚轮能够对金属材料表面进行滚压处理，滚轮固定套装于支撑轴的中心部位;所述支撑轴的两端连接于支撑刀柄上，并能相对于支撑刀柄转动;所述冷却润滑系统由润滑油路和供油系统组成，所述润滑油路开设于支撑刀柄内，供油系统通过润滑油路在表面纳米化处理过程中提供润滑及冷却作用；所述自动变位系统由刀架及尾架组成，所述支撑刀柄固定在刀架上，所述金属材料回转件通过尾架装夹。
[0009]所述表面纳米化处理过程为:金属材料回转件以线速度V1旋转的同时，通过控制刀架位移使滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮端面压入回转件表面一定深度A X，然后刀架沿回转件轴向以速度^进给至设定长度即完成一次加工，重复上述过程η次，每次加工的设定长度内Ax保持固定;加工过程中，冷却润滑系统对滚轮、支撑轴及滚轮与回转件接触区域进行润滑。
[00?0]所述表面纳米化处理过程中，所述金属材料回转件旋转的线速度Vi为1.0X 104mm/min-5.0 X 104mm/min，所述滚轮端面压入回转件表面深度Δ x为20-250μηι，所述刀架沿回转件轴向进给的速度V2为5.0 X 10—3mm/r-5.0 X 10—2mm/r，所述加工次数η为1_10。
[0011]所述滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮材质为GCr15、WC/Co或高速钢，滚轮直径为10-50mm，滚轮外边缘的端面加工成弧形，该弧形端面直径为4-10mm。
[0012]所述金属材料回转件经过表面纳米化处理后，在回转件表面产生梯度组织细化结构层，层深为200-800μπι;该梯度组织细化结构层的显微硬度由表及里呈梯度分布状态，最表层显微硬度值比基体高18%_230%。所述梯度组织细化结构层由表及里的组织结构依次为纳米晶、亚微米晶和微米级粗晶，最表层晶粒尺寸细化为50nm以下;表面粗糙度有不同幅度的提升，最表层的表面光洁度Ra最小达到0.ΙΟμπι以下。
[0013]本发明与现有的提高金属材料表面性能的方法相比有以下优点:
[0014](I)实现方式简单，成本较低，可在滚轮式表面纳米化加工系统上进行金属材料的表面纳米化加工。而表面合金化的方法工艺过程比较复杂，往往需要高温、长时间等条件，因此，经过表面合金化处理之后，基体的组织结构及性能容易发生变化。
[0015](2)经过滚轮式表面纳米化的金属材料表面为梯度结构，由表及里分别为纳米晶、亚微米晶、微米级粗晶，表层结构与内部基体无明显界面，不存在结合性能差的问题。而表面沉积涂层的方式制备出的表面涂层与基体之间有明显的界面，在苛刻的使役过程中容易发生涂层与基体间产生裂纹甚至涂层剥落的现象。
[0016](3)与喷丸、深滚压、超声机械冲击表面强化、激光冲击强化等表面机械处理方法相比，金属材料经滚轮式表面纳米化处理后表面晶粒尺寸达到纳米级，获得的表面梯度结构层的深度更大，表面硬度提升幅度更高。并且表面梯度纳米结构层可有效阻止疲劳过程中的裂纹萌生与扩展，大大改善了金属材料的疲劳性能。与SMAT相比，金属材料经过滚轮式表面纳米化处理之后表面光洁度有一定程度的提升，Ra最小可达0.ΙΟμπι以下。
【附图说明】
[0017]图1为金属材料滚轮式表面纳米化原理示意图；其中:图(a)为滚轮式表面纳米化原理图，图(b)为图(a)的放大视图(部分)，图(C)为图(a)的右视剖面图(部分)。
[0018]图中:1-金属材料回转件;2-滚轮式表面纳米化加工刀具;3-滚轮;4-支撑轴;5-支撑刀柄;6-尾架卡盘;7-尾架顶尖;8-润滑油路;9-刀架;10-梯度组织细化结构层。
[0019]图2为316L奥氏体不锈钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面微观组织照片。
[0020]图3为316L奥氏体不锈钢经滚轮式表面纳米化处理后表面XRD图谱。
[0021]图4为316L奥氏体不锈钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
[0022]图5为IF钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面微观组织照片。
[0023]图6为IF钢经滚轮式表面纳米化处理后表面XRD图谱。
[0024]图7为IF钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
[0025]图8为42CrMoA调质钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面微观组织照片。
[0026]图9为42CrMoA调质钢经滚轮式表面纳米化处理后表面XRD图谱。
[0027]图10为42CrMoA调质钢经滚轮式表面纳米化处理后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图及实施例详述本发明。
[0029]本发明提出一种金属材料滚轮式表面纳米化的方法，该方法可对金属材料回转件进行表面纳米化处理，金属材料表面在滚轮的可控滚压作用下产生梯度塑性变形，从而使回转件表面产生梯度组织细化结构层，最表层的组织结构由粗晶结构转变为纳米晶结构，其原理示意图如图1所示。其中:所述表面纳米化处理是在滚轮式表面纳米化加工系统上实现的，如图1所示，该表面纳米化加工系统由滚轮式表面纳米化加工刀具2、冷却润滑系统及自动变位系统组成。所述滚轮式表面纳米化加工刀具2由滚轮3、支撑轴4和支撑刀柄5组成，滚轮3固定并套装于支撑轴4的中心部位，支撑轴4的两端连接在支撑刀柄5上，并能相对于支撑刀柄5自由转动。所述冷却润滑系统由润滑油路8和供油系统组成，所述润滑油路8开设在支撑刀柄5内，供油系统通过润滑油路8实现对表面纳米化处理过程提供润滑及冷却作用。所述自动变位系统由刀架9及尾架组成，所述尾架包括尾架卡盘6和尾架顶尖7 ο所述滚轮式表面纳米化加工刀具2的支撑刀柄5固定在刀架9上。所述金属材料回转件I通过尾架装夹，即所述金属材料回转件I的一端固定在尾架卡盘6上，另一端由尾架顶尖7顶住，通过控制尾架卡盘6的运动实现金属材料回转件的转动。通过刀架9的进给实现表面纳米化加工刀具2的轴向运动。
[0030]本发明方法的具体实施过程如下:
[0031]滚轮式表面纳米化加工刀具2的滚轮材质选用GCrl5、WC/Co或高速钢，滚轮3直径为10-50mm，滚轮外边缘的端面加工成弧形，该弧形端面直径为4-10mm(端面直径是指与弧形端面相对应的圆的直径)。金属材料回转件I初始表面为车削加工的状态。采用尾架将金属材料回转件I装夹在滚轮式表面纳米化加工系统上。把滚轮式表面纳米化加工刀具2安装在刀架9上，对加工过程及行走路径进行程序编辑。打开冷却润滑系统，开始对金属材料回转件I进行滚轮式表面纳米化加工。金属材料回转件I以线速度Vi(1.0X104mm/min-5.0 X104mm/min)旋转的同时，通过刀架9移动使滚轮式表面纳米化加工刀具2的滚轮3端面压入回转件I表面一定深度Δ χ(20-250μπι)，然后刀架9沿回转件I轴向以速度v2(5.0 X 10—3mm/r-5.0X10—2mm/r)进给至设定长度即完成一次加工，重复上述过程n(l-10)次，每次加工长度内Ax保持固定;加工过程中，冷却润滑系统对滚轮3、支撑轴4及滚轮3与回转件I接触区域进行冷却与润滑。
[0032]经过上述滚轮式表面纳米化加工后，金属材料回转件I表面粗糙度有不同幅度的提升;表面晶粒尺寸细化为50nm以下，表面产生梯度组织细化结构层10，层深为200-800μπι;表层显微硬度由表及里呈梯度分布状态，最表层显微硬度值比基体高18%_230%，最终实现了金属材料I的滚轮式表面纳米化。
[0033]下面结合具体实施例详细说明本发明。
[0034]实施例1
[0035]本实施例选择316L奥氏体不锈钢作为对象，其化学成分为(wt.%):C 0.03%,Si
0.03% ,Mn 1.01%,S 0.016% ,P 0.042% ,Cr 16.72% ,Mo 2.12%,Ni 10.7%，Fe 余量。316L奥氏体不锈钢的供货态为退火态，试棒的直径为10_。试棒表面为车削加工的状态。
[0036]采用本发明的滚轮式表面纳米化方法对316L奥氏体不锈钢进行表面纳米化加工。滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮材质选用GCrl5，滚轮直径选用30mm，滚轮3端面直径选用1mmc^ieL奥氏体不锈钢试棒旋转速度Vi = 1.7 X 104mm/min;滚轮式表面纳米化加工刀具进给速度V2 = 5X 10—3mm/r;滚轮端部压入316L奥氏体不锈钢表面的深度Δ χι = ΙΟΟμπι, Δ χ2= 200μπι，Δχ3 = 200μπι。
[0037]实验结果表明，经过本发明的滚轮式表面纳米化方法加工后，316L奥氏体不锈钢表面粗糙度Ra为0.07μπι，表层出现梯度组织细化结构，其厚度为900μπι(图2)。图3所示的X射线衍射宽化分析结果表明，316L奥氏体不锈钢表层晶粒尺寸细化为12nm。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸逐渐增大至微米级(图2)。经滚轮式表面纳米化方法加工后，316L奥氏体不锈钢表层横断面的显微硬度由表及里呈梯度分布(图4)，最表层的显微硬度为4.4GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度逐渐降低，当与表面距离为900μπι时，显微硬度降低至粗晶基体的硬度(1.8GPa)。
[0038]实施例2
[0039]本实施例选择IF钢作为对象，其化学成分为(wt.%):C 0.04% ,Si 0.04% ,Mn
0.29% ,S 0.003%,P 0.04% ,Ti 0.01%,Ni 0.02% ,Cu 0.03% ,Al 0.03%，Fe 余量。IF 钢的供货态为退火态，试棒的直径为20_。试棒表面为车削加工的状态。
[0040]采用本发明的滚轮式表面纳米化方法对IF钢进行表面纳米化加工。滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮材质选用GCrl5，滚轮直径选用30mm，滚轮3端面直径选用10mm。IF钢试棒旋转速度Vi = 1.7 X 104mm/min;滚轮式表面纳米化加工刀具进给速度V2 = 7 X 10—3mm/r;滚轮端部压入IF钢表面的深度Δ X1 = SSym, Δ Χ2 = 25μηι, Δχ3 = 50μηι。
[0041]实验结果表明，经过本发明的滚轮式表面纳米化方法加工后，IF钢表层出现梯度组织细化结构，其厚度为700μπι(图5)。图6所示的X射线衍射宽化分析结果表明，IF钢表层晶粒尺寸细化为19nm。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸逐渐增大至微米级(图5)。经滚轮式表面纳米化方法加工后，IF钢表层横断面的显微硬度由表及里呈梯度分布(图7)，最表层的显微硬度为3.0GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度逐渐降低，当与表面距离为800μπι时，显微硬度降低至粗晶基体的硬度(0.9GPa)。
[0042]实施例3
[0043]本实施例选择42CrMoA调质钢作为对象，其化学成分为(wt.%):C 0.41% ,Si
0.23% ,Mn 0.75% ,S 0.024% ,P 0.015% ,Cr 1.12%,Mo 0.22% ,Cu 0.02%，Fe 余量。42CrMoA调质钢的供货态为调质态(依次进行淬火、高温回火处理及时效处理)，试棒的直径为20mm。试棒表面为车削加工的状态。
[0044]采用本发明的滚轮式表面纳米化方法对42CrMoA调质钢进行表面纳米化加工。滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮材质选用GCrl5，滚轮直径选用30mm，滚轮3端面直径选用lOmmdSCrMoA调质钢试棒旋转速度Vi= 1.9 X 104mm/min;滚轮式表面纳米化加工刀具进给速度V2 = 6 X 10—3mm/r;滚轮端部压入42CrMoA调质钢表面的深度Δ χι = 50μηι, Δ Χ2 = ΙΟΟμπι,A X3= ΙΟΟμηι。
[0045]实验结果表明，经过本发明的滚轮式表面纳米化方法加工后，42CrMoA调质钢表层出现梯度组织细化结构，其厚度为200μπι(图8)。图9所示的X射线衍射宽化分析结果表明，42CrMoA调质钢表层晶粒尺寸细化为llnm。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸逐渐增大至微米级(图8)。经滚轮式表面纳米化方法加工后，42CrMoA调质钢表层横断面的显微硬度由表及里呈梯度分布(图10 )，最表层的显微硬度为3.3GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度逐渐降低，当与表面距离为200μπι时，显微硬度降低至粗晶基体的硬度(2.8GPa)。
【主权项】
1.一种金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:该方法采用滚轮式表面纳米化加工系统对金属材料回转件进行表面纳米化处理，使金属材料表面在滚轮式表面纳米化加工系统产生的可控滚压作用下产生梯度塑性变形，从而使材料最表层的组织结构由粗晶结构转变为纳米晶结构。2.根据权利要求1所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述金属材料为低碳钢、奥氏体不锈钢或调质合金钢。3.根据权利要求1所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述滚轮式表面纳米化加工系统包括滚轮式表面纳米化加工刀具、冷却润滑系统及自动变位系统；其中:所述滚轮式表面纳米化加工刀具包括滚轮、支撑轴和支撑刀柄，所述滚轮能够对金属材料表面进行滚压处理，滚轮固定套装于支撑轴的中心部位;所述支撑轴的两端连接于支撑刀柄上，并能相对于支撑刀柄转动;所述冷却润滑系统由润滑油路和供油系统组成，所述润滑油路开设于支撑刀柄内，供油系统通过润滑油路在表面纳米化处理过程中提供润滑及冷却作用;所述自动变位系统由刀架及尾架组成，所述支撑刀柄固定在刀架上，所述金属材料回转件通过尾架装夹。4.根据权利要求3所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述表面纳米化处理过程为:金属材料回转件以线速度V1旋转的同时，通过控制刀架位移使滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮端面压入回转件表面一定深度A X，然后刀架沿回转件轴向以速度^进给至设定长度即完成一次加工，重复上述过程η次，每次加工的设定长度内Ax保持固定;加工过程中，冷却润滑系统对滚轮、支撑轴及滚轮与回转件接触区域进行润滑。5.根据权利要求4所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述表面纳米化处理过程中，所述金属材料回转件旋转的线速度Vi为1.0X 104mm/min-5.0 X 104mm/min，所述滚轮端面压入回转件表面深度Δχ为20-250μπι，所述刀架沿回转件轴向进给的速度V2为5.0 X 10—3mm/r-5.0 X 10—2mm/r，所述加工次数η为 1-10。6.根据权利要求3所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述滚轮式表面纳米化加工刀具的滚轮材质为GCrl5、WC/Co或高速钢，滚轮直径为10-50mm，滚轮端面加工成弧形，该弧形端面直径为4-10mm。7.根据权利要求5所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述金属材料回转件经过表面纳米化处理后，在回转件表面产生梯度组织细化结构层，层深为200-800μπι;该梯度组织细化结构层的显微硬度由表及里呈梯度分布状态，最表层显微硬度值比基体高 18%-230%。8.根据权利要求7所述的金属材料滚轮式表面纳米化的方法，其特征在于:所述梯度组织细化结构层由表及里的组织结构依次为纳米晶、亚微米晶和微米级粗晶，最表层晶粒尺寸细化为50nm以下;最表层的表面光洁度Ra最小达到0.ΙΟμπι以下。
【文档编号】C21D7/04GK106086344SQ201610601605
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610601605.5, CN 106086344 A, CN 106086344A, CN 201610601605, CN-A-106086344, CN106086344 A, CN106086344A, CN201610601605, CN201610601605.5
【发明人】张伟华, 王镇波, 卢柯, 梁晨, 张凯
【申请人】中国科学院金属研究所