专利名称：一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法
技术领域：
本发明属于金属材料加工领域，具体地说是一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法。
背景技术：
纳米金属材料具有优异的力学、化学和物理性能。在服役环境下，金属材料的失效多发生在表面，如材料的磨损、疲劳和腐蚀等对表面的结构和性能十分敏感，若在材料表面形成纳米结构，可以显著地提高金属材料整体的综合性能和服役行为。大量非专利文献报导证明，金属材料表面形成纳米结构可显著提高表面硬度、抗磨损、抗疲劳和抗腐蚀等性能。目前，有多种形成纳米结构的专利获得授权或受理，其中专利CN1336445、 CN1336321、CN1336444、CN1301873和CNM00456的基本原理是，在密闭的容器内利用金属弹丸以高频、高速和不同入射角撞击金属或工件的表面，使金属材料表面显微组织发生往复强烈塑性变形而实现纳米化。这些专利的主要问题是处理过程处于密闭的容器内，所处理的工件形状和尺寸有限。专利CN1410560利用压缩气体携带硬质微粒轰击金属材料表面来形成表面纳米结构，该发明可以对复杂形状或大尺寸工件进行处理，存在问题是表面粗糙度大、处理效率低。上述专利均因处理尺寸有限或效率低而不易在金属板材上大规模应用。专利CN1978672提出压力滑动轧制法，通过一对压力滑动板在金属板材的表面施加压应力，使金属板材表面在通过压力滑动板时发生强烈塑性变形而实现纳米化。该方法能够在大尺寸金属板材表面形成纳米结构，不足之处是，压力滑动板施加的压应力难以准确把握，若压应力过大，金属板材容易卡住，并且压力滑动板与金属板材的接触部位易磨损而导致轧制精度下降；若压应力过小，则难以使金属板材表面产生强烈塑性变形。
发明内容
发明目的本发明提供一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其目的是解决以往的方法难以用于在大尺寸金属板材表面制备纳米结构的问题。技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的—种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于所述方法利用异步轧制的搓轧方式对金属板材进行多道次轧制从而在金属板材表面形成纳米结构，其具体的操作如下a、选取表面光洁的金属板材作为基材；b、调整异步轧机的上工作辊与下工作辊的周向速比在1 1.05 1 1.35之间；C、对金属板材进行多道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反；每一道次压下量为金属板材厚度的1 30%。对金属板材进行轧制时的温度为10 200°C。“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为3 30次。所述异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.28。
“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为4 15次。“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为12次。优点及效果本发明提供一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于所述方法利用异步轧制的搓轧方式对金属板材进行相邻道次轧制方向相反的多道次轧制从而在金属板材表面形成纳米结构，其具体的操作如下a、对金属板材进行酸洗除锈作为基材；b、调整异步轧机的上工作辊与下工作辊的周向速比在1 1.05 1 1.35 之间；c、对金属板材进行多道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反；每一道次压下量为金属板材厚度的1 30%。本发明的原理是利用异步轧制上、下工作辊周向速度不同而在板材表面产生的剪切应力，使板材表面晶粒在正压力诱发细化的基础上发生进一步细化，经过多道次、轧制方向相反的异步轧制后，板材表面因发生往复强烈塑性变形而形成纳米结构。本发明与现有技术的主要区别在于1.本发明可大规模、连续生产具有表面纳米结构的金属板材，且板材表面光亮，这是现有基于弹丸或微粒撞击原理的处理方法无法实现的。2.本发明不需要任何附加装置，且所轧制的金属板材厚度均勻，这是与压力滑动轧制法的主要区别。该发明利用异步轧制的方法来解决以往方法中存在的问题，其操作简洁，效果明显，利于在实际的生产中推广应用。
图1为利用本发明的实施例得到的金属板材表面的投射电子显微镜照片。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明本发明提供一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，所述方法利用异步轧制的搓轧方式对金属板材进行相邻道次轧制方向相反的多道次轧制从而在金属板材表面形成纳米结构层，具体实施例如下取厚度为2. 2mm的3% (质量分数)硅钢热轧板作为本发明所述的金属板材进行加工，先将其表面进行酸洗除锈后，进行本发明的异步轧制。实施例1 a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.05;b、对金属板材进行多道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反，具体的说就是如果第一道次是板材从左向右轧制，那么第二道次就是从右向左轧制，以此类推；轧制次数为 30次。C、每一道次压下量为金属板材厚度的3. 0%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 34nm左右。实施例2:a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.10;b、对金属板材进行3道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、每一道次压下量为金属板材厚度的29. 6%。
经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 82nm左右。实施例3 a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.15;b、对金属板材进行15道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、每一道次压下量为金属板材厚度的6. 2%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 38nm左右。实施例4:a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.25;b、对金属板材进行12道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、每一道次压下量为金属板材厚度的7. 5%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 45nm左右。实施例5 a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1. ;b、对金属板材进行8道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、每一道次压下量为金属板材厚度的11. 3%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 54nm左右。实施例6:a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.35;b、对金属板材进行25道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、每一道次压下量为金属板材厚度的3. 6%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 19nm左右。实施例7 a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.15;b、对金属板材进行15道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、第一至第五道次压下量为金属板材厚度的10%，第六至第十道次压下量为金属板材厚度的5%，第十一至第十五道次压下量为金属板材厚度的2%。经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 34nm左右。实施例8:a、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.30;b、对金属板材进行20道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反。C、第一至第四道次压下量为金属板材厚度的8%，第五至第八道次压下量为金属板材厚度的6%，第九至第十二道次压下量为金属板材厚度的4%，其余道次的压下量均为金属板材厚度的2%。
经过上述参数的轧制后，表面形成了取向呈随机分布的纳米晶组织，晶粒尺寸在 24nm左右。综上所述，本发明在金属板材表面形成纳米结构的晶粒尺寸为20 SOnm左右。对金属板材进行轧制的温度在10 200°c效果更好。图1为利用本发明的方法得到的金属板材表面的透射电子显微镜照片。本发明采用异步轧制方法，该方法是一种上、下工作辊周向速度不同的特殊轧制方式，工作辊周向速度不同在金属板材表面产生剪切应力，使金属板材在轧制过程中发生表面强烈塑性变形，经过多道次轧制后，板材表面晶粒可细化至纳米量级。本发明效果明显，实用性强，利于实际生产和推广应用。
权利要求
1.一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于所述方法利用异步轧制的搓轧方式对金属板材进行多道次轧制从而在金属板材表面形成纳米结构，其具体的操作如下a、选取表面光洁的金属板材作为基材；b、调整异步轧机的上工作辊与下工作辊的周向速比在1 1.05 1 1.35之间；c、对金属板材进行多道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反；每一道次压下量为金属板材厚度的1 30%。
2.根据权利要求1所述的一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于对金属板材进行轧制时的温度为10 200°C。
3.根据权利要求1或2所述的一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为3 30次。
4.根据权利要求1所述的一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于所述异步轧机的上、下工作辊的周向速比为1 1.28。
5.根据权利要求3所述的一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为4 15次。
6.根据权利要求5所述的一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于“b”步骤中所述的多道次轧制的次数为12次。
全文摘要
本发明提供一种在金属板材表面形成纳米结构的异步轧制方法，其特征在于所述方法利用异步轧制的搓轧方式对金属板材进行多道次轧制从而在金属板材表面形成纳米结构，其具体的操作如下a、选取表面光洁的金属板材作为基材；b、调整异步轧机的上工作辊与下工作辊的周向速比在1∶1.05～1∶1.35之间；c、对金属板材进行多道次轧制，相邻道次之间轧制方向相反；每一道次压下量为金属板材厚度的1～30％。该发明利用异步轧制的方法来解决以往方法中存在的问题，其操作简洁，效果明显，利于在实际的生产中推广应用。
文档编号B21B1/22GK102161051SQ20101052436
公开日2011年8月24日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者刘刚, 左良, 莫成刚 申请人:东北大学