专利名称：高疲劳寿命金属纳米晶粒表面改性工艺技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属纳米晶粒表面改性的处理方法，特别是一种用于交变载荷、滑动摩擦磨损和微动磨损条件下的高疲劳寿命工作表面的制备方法，属于表面改性技术领域。
背景技术：
在金属工件服役环境下，材料的失稳多始于表面，因此只要在工件原始材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过工件表面组织的改善和机械物理性能的优化，提高材料的整体性能和服役行为。目前国内外较成熟的纳米表面改性工艺技术主要分为表面涂层或沉淀、表面自身纳米化、和混合纳米化三种。其中，表面自身纳米化又分表面机械处理和非平衡热力学法两类。
表面机械处理是指在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织经过沿不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐碎化至纳米量级。实现高能量表面机械处理的方式主要有超音频喷丸、研磨、超音速轰击等。
非平衡热力学法则是将材料快速加热，使材料的表面达到熔化或相变温度，再进行急剧冷却，通过热动力学控制来提高晶粒成核速率并抑止晶粒长大速度，从而在材料的表面获得纳米晶组织。实现快速加热-冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。
上述两种工艺方法各具特点，在工业生产中也均获得较为广泛的应用。但无论是表面机械处理，还是非平衡热力学法，都需要在传统切削加工工艺中获得一定表面质量后，通过额外辅助工序，使用昂贵设备与复杂工艺来实现服役表面的纳米改性处理，这将大幅增加产品的生产成本与生产周期。不仅如此，单纯的表面机械处理，如喷丸，还将恶化服役表面的表面粗糙度，从而降低服役表面的摩擦与磨损性能；而经过非平衡热力学法获得的表面组织可能存在有高拉应力作用的热效应影响区，从而将降低服役表面的疲劳寿命。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题与不足，提供了一种金属零件纳米晶粒表层组织的制备方法，使所得到的工件表面可直接用于交变载荷作用下的滑/微动摩擦服役条件，且制备的金属纳米晶粒组织层具有良好的抗热冲击性能和较高的耐磨性。
本发明是通过以下技术方案予以实现。本发明首先对机械加工中(平面铣削、外圆车削、平面刨削等)切削刀具的主要工作角度与刃口几何形状进行合理设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)金相组织的微晶细化与压应力场生成。之后，根据工件材料原始组织的结构特点，对切削用量进行优化选择，控制加工表面瞬态热源的运动规律。在此基础上，控制切削变形区的冷却条件，提高表层金属的温度场梯度，利用非平衡热动力学过程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒长大速度，从而获得兼具纳米尺度晶粒与高残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
以下对本发明的制备方法作进一步的说明，具体内容如下(1)选择合理的刀具材料与切削几何参数，表层组织的塑性变形与流动调节工艺。
首先选择具有高硬度、高韧性的硬质合金刀具或陶瓷刀具材料。考虑到陶瓷刀具材料的硬度高、耐磨性好、尤其高温性能好、化学稳定性强，当工件材料为合金钢时，必须选择陶瓷刀具。当加工的工件材料为纯金属或有色金属材料，硬质合金刀具也能够满足本方法的使用要求。
刀具切削部分的几何参数影响着工件材料的变形与摩擦，不仅决定了作用于加工表面的正压力的大小，而且对于切削变形区的热效应场形状也有重要作用。刀具几何参数合理与否的标准是在切削速度300m/min时，刀具可以在不发生崩刃情况下稳定切削调质45钢20分钟以上。对于金属材料而言，主偏角需控制在45°～75°之间，前角控制在5°～15°之间，后角控制在-7°～5°之间。刀尖圆弧半径则需控制在2～3.5mm范围内。
(2)优化切削工艺参数，瞬态集中热源的峰值强度与移动速度控制工艺。
随着切削刃在工件表面高速移动，切削变形与摩擦过程在刃口区所累计的切削热效应区也将快速移动。控制刃口区域的快速移动的目的在于控制热源(刃口区)周围的热传播效应。
通过对切削参数进行工艺优化，不仅能够改变切削变形区的热源峰值强度值，而且能够控制瞬态热源的移动速度。本发明需要增加瞬态热源的移动速度和成比例增大热源功率，确保加工表面区域材料组织加热到超过工件材料原始组织相变温度AC3以上。该热效应区的长度与热源移动速度成正比例，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1～0.3mm，合金钢材料为0.2～0.5mm)。当热源移动速度，也就是切削线速度，超过一定范围后(纯金属材料为560～770m/min，合金钢材料为180～240m/min)，工件表面的热传播将主要在垂直于热源运动的方向进行。此时，需控制切削深度与进给量的比例不能超过2～5。
(3)控制冷却润滑条件，表层变形区的温度场变化梯度提高工艺。
根据不同工件材料的切削变形机理及金相组织的结构特点，为了实现表面组织的晶粒细化，提高表层金属的强度和韧性，减少热影响区的亚稳相的生成和残余拉应力分布，需要对切削变形区进行冷却剂喷流，通过传导热和对流传热等方式加快工件表面的冷却速度，大幅增加表层变形区的温度场变化梯度，控制相变产物结构，从而在加工表面产生残余压应力场分布。根据不同的工件材料原始相结构特点，选择合理的冷却剂类型。对于高硬度金属材料，油基冷却剂较理想，对于高韧性金属材料，则选择水基冷却剂。为确保冷却剂直接作用于切削变形区，需要保证冷却剂的出口压力需控制在0.3～0.8MPa之间，流量控制在220～480L/min之间。若使用液氮对合金钢材料进行冷却，出口压力需控制在0.6～1.2MPa之间，流量控制在30～150L/min之间。
本发明具有实质性特点和显著进步，该制备方法简单，成本低廉，适用条件广泛，已在有色纯金属和合金材料(含不锈钢、高、低碳钢)表面获得纳米层，易实现工业化生产。所获得纳米组织层与基体组织之间不存在界面结构和成分的明显变化，在交变重载荷作用下，不易剥离。所制备的表面具有良好的综合性能，如耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等，而且由于该类表面化学反应活性增大，易于实现材料表面的选择性化学反应，可以直接服役于高应力与交变载荷作用的工作表面。鉴于上述特点，本发明具有良好的市场应用前景和商业价值。
具体实施例方式
以下结合发明的内容提供具体的实施例实例1，紫铜纳米晶粒表面的制备方法。
首先，选择YT类硬质合金作为刀片材料，并使用金刚石砂轮在工具磨床上磨制出刀具的主要工作角度主偏角70°，前角15°，后角5°，刀尖圆弧半径则需控制在2mm。之后，在后刀面磨制出宽度为0.2mm，角度为0°的小平面。在此基础上，选择切削速度630m/min，每齿进给量0.3mm/z，切削深度1mm的切削用量组合对工件表面进行加工。选用液氮作为冷却剂，液氮的出口压力设为0.4MPa，流量设为100L/min。以此完成紫铜纳米晶粒表面的制备过程。制备出的表层组织一般可形成平均尺寸约为100nm等轴形的超微晶粒。该类组织在透射电子显微镜中的衍射图像呈环状分布。通过单独晶界无序取向的测量将能够证实该类金属组织结构以大角度晶界形式出现。
实施例2，合金钢30CrNi4MoVA高疲劳寿命纳米晶粒表面的制备方法。
首先，选择Al2O3陶瓷作为刀片材料；其次，使用金刚石砂轮在工具磨床上磨制出刀具的主要工作角度主偏角45°，前角7°，后角5°，刀尖圆弧半径则需控制在3mm。之后，在后刀面磨制出宽度为0.2mm，角度为0°的小平面。在此基础上，选择切削速度190m/min，每齿进给量0.2mm/z，切削深度0.5mm的切削用量组合对工件表面进行加工。选用液氮作为冷却剂，液氮的出口压力设为0.8MPa，流量设为150L/min。以此完成合金钢30CrNi4MoVA纳米晶粒表面的制备过程。在该材料中，表层组织的纳米晶粒的形变过程与紫铜相似，但所得到的超细晶粒尺度可以低于150nm。当在合金原始组织中出现比基体强度更大的第二相颗粒时，可以出现第二相颗粒的破碎和因机械合金化而形成过饱和固溶体时的第二相溶化现象。大量微孪晶的形成也是合金材料组织的典型特征。
权利要求
1.一种金属纳米晶粒表面改性的处理方法，特别是一种用于交变载荷、滑动摩擦磨损和微动磨损条件下的高疲劳寿命工作表面的制备方法。其特征在于，首先通过对切削刀具前、后刀面工作角度与刃口几何形状的合理设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)金相组织的微晶细化与压应力场生成。通过控制切削变形区的冷却条件，提高表层金属的温度场梯度，利用非平衡热动力学过程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒长大速度，从而获得兼具纳米尺度晶粒与高残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
2.根据权利要求1所述的金属纳米晶粒表面改性的处理方法，其特征是，所述的工件表层可形成平均粒径小于100nm的等轴形的超细晶粒组织，该类组织在透射电子显微镜中的衍射图像将呈环状分布，通过单独晶界无序取向测量将能够证实该类金属的组织结构以大角度晶界形式出现。多相合金中第二相的性质与形态将对本方法形成的超细晶显微组织产生极大影响。当合金原始组织中出现比基体强度更大的第二相颗粒时，在集中剪切形变时可出现第二相颗粒的破碎和过饱和固溶体(因机械合金化引发)的第二相溶化现象。大量微孪晶的形成也是合金材料细织的典型特征。
3.根据权利要求1所述的金属纳米晶粒表面改性的处理方法，其特征是，所述的表层组织的塑性变形与流动调节工艺是指，通过刀具材料与几何参数的合理选择，获得实现表面纳米化处理的加工工具。刀具几何参数合理与否的标准是当切削速度300m/min时，刀具能够在不发生崩刃情况下稳定切削调质45钢20分钟以上。对于金属材料而言，主偏角需控制在45°～75°之间，前角控制在5°～15°之间，后角控制在-7°～5°之间。刀尖圆弧半径则需控制在2～3.5mm范围内。
4.根据权利要求1所述的金属纳米晶粒表面改性的处理方法，其特征是，所述的集中热源的峰值强度与移动速度控制工艺是指，通过增加热源移动速度和成比例增大热功率，确保加工表面区域材料组织加热到超过工件材料原始组织相变温度AC3以上。该热效应区的长度与热源移动速度成比例增加，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1～0.3mm，合金钢材料为0.2～0.5mm)。当热源移动速度超过一定范围后(纯金属材料为560～770m/min，合金钢材料为180～240m/min)，工件表面的热传播将主要在垂直于热源运动的方向进行。此时，需控制切削深度与进给量的比例不能超过2～5。
5.根据权利要求1所述的金属纳米晶粒表面改性的处理方法，其特征是，所述的表层变形区的温度场变化梯度提高工艺是指，根据不同工件材料原始相的结构特点，选择合理的冷却剂类型，控制晶粒成核速率，并抑止晶粒长大速度。对于高硬度金属材料，油基冷却剂较理想，对于高韧性金属材料，则选择水基冷却剂。为确保冷却剂直接作用于切削变形区，需要保证冷却剂的出口压力需控制在0.3～0.8MPa之间，流量控制在220～480L/min之间。若使用液氮对合金钢材料进行冷却，出口压力需控制在0.6～1.2MPa之间，流量控制在30～150L/min之间。
全文摘要
本发明涉及一种金属纳米晶粒表面改性的处理方法，特别是一种用于交变载荷、滑动摩擦磨损和微动磨损条件下的高疲劳寿命工作表面的制备方法。本发明首先对机械加工中切削刀具的主要工作角度与刃口几何形状进行合理设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)金相组织的微晶细化与压应力场生成。之后，根据工件材料原始组织的结构特点，对切削用量进行优化选择，控制加工表面上瞬态热源的运动规律。在此基础上，控制切削变形区的冷却条件，提高表层金属的温度场梯度，利用非平衡热动力学过程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒长大速度，从而获得兼具纳米尺度晶粒与高残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
文档编号C21D1/56GK1962895SQ20061016810
公开日2007年5月16日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者龙震海, 王西彬, 赵文祥, 庞思勤 申请人:北京理工大学