一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法与流程

技术领域：

本发明涉及金属材料表面加工、矿物材料及机械摩擦学领域，具体涉及一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法。

背景技术：
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黑色金属及其合金是工业上对铁、铬和锰的统称，也包括这三种金属的合金材料，是当今使用最为广泛的金属材料，以铁基金属材料为例，几乎90%以上机械零部件都采用铁基材料，尤其大量应用于各类摩擦件。据统计，全世界每年约30%的一次能源因为摩擦被消耗，约60%的机器零部件因为摩损而失效，约50%的机械装备恶性事故起源于润滑失效和过度磨损，减少摩擦、降低磨损意义重大。为了提高零部件的稳定性与使用寿命，除了采取合理的形状设计外，因金属材料表面状态显著影响其机械性能，还要对零部件表面进行多次处理，提高表面硬度、表面光洁度与耐腐蚀能力。

目前，关于金属表面处理方法，工业界广泛使用的方法有渗碳、渗氮、渗硼、渗铬等，可提高表面硬度与耐腐蚀能力，但这些方法都需要将零部件置于500度以上的高温氛围内，易导致零部件的变形，且对表面粗糙度降低没有贡献，还需要配合超精研磨来弥补变形造成的尺寸误差以及降低表面粗糙度。另外，喷丸工艺可提高表面硬度，但会造成光洁度下降，对耐腐蚀能力没有积极作用。因此，目前传统的处理方法还较为繁复或效果单一，不能通过一个工艺段就实现“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的综合目标。此外，中国科学院金属研究所近年来发明了“表面机械研磨（smat）、表面机械碾磨（smgt）”处理方法，这些方法通过在金属表面形成纳米晶梯度结构，从而显著提高表面硬度，并且可将渗氮温度降低到300度，但由于表面纳米化后形成大量晶界，为氧原子以及其他腐蚀离子提供了通道，导致耐腐蚀性能降低。因此，开发一种同时具有“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的新工艺，可为金属表面处理提供新的选择，解决目前各种方法存在的局限。

层状硅酸盐矿物是在自然界中广泛分布，层状硅酸盐的人工可控合成工艺简便易行，近年来研究发现：在机械设备运行状态下，蛇纹石、高岭石以及凹凸棒石、蒙脱石等层状硅酸盐矿物通过润滑油/脂的传递作用介入到黑色金属摩擦副间，在摩擦所产生的应力及闪温作用下，会发生摩擦学物理化学作用，可在一定程度上对金属表面进行改性，改善金属表面化学成分与晶相结构，提高金属表面硬度、光洁度及耐腐蚀能力，优化摩擦学状态，进而降低摩擦系数，提高金属摩擦副的抗磨能力。蛇纹石等层状硅酸盐矿物表现出的减少摩擦修复磨损的功效，在摩擦学领域首次实现了从摩擦损失到磨损补偿的转变，为金属表面加工处理提供了一种新的思路，并可以拓宽黑色金属材料的使用范围，使得普通低成本材料（如碳钢）经过处理后达到高性能合金的指标，并可进一步提升高性能合金的抗磨耐蚀能力，也可以替代目前一些复杂的表面处理工艺，在达到相同指标情况下，降低表面处理成本。

目前为止，蛇纹石等层状硅酸盐主要应用于既有的机械装备上，通过模拟摩擦环境，探明关键工艺参数与金属表面性质的关联规律，主动处理金属表面并获得金属表面指定设计指标的技术开发工作尚处于空白状态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为，提供一种针对黑色金属的表面区域选择性处理、同时提高硬度和光洁度及耐蚀性能的处理方法。

本发明的技术方案为：

一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待处理金属样品作为摩擦副，选择材质与待处理金属样品相同且硬度相近对磨副，在润滑物质介入的条件下，摩擦副和对磨副进行相对摩擦运动，所述摩擦运动包括两个阶段，第一阶段为高载荷低速度摩擦运动，控制接触应力为（1~10）×10⁵pa，控制相对运动速度0.3~6m/s，第二阶段为低载荷高速度摩擦运动，控制接触应力为（0.1~2.0）×10⁵pa以内，控制相对运动速度5~20m/s，所述摩擦副相对运动的时间累计不少于72h，其中第一阶段大于等于20小时，第二阶段大于等于52小时，达72小时后，每隔摩擦1个小时，测试表面弹性模量一次，直至弹性模量数量不在变化后停止摩擦。

进一步的，所述待处理金属样品及对磨副为黑色金属及其合金，摩擦副和对摩副的表面粗糙度ra≤1.6um。

进一步的，当原始表面粗糙度ra≥1.0um，且表面粗糙度设计指标需要降低的幅度不超过60%，所述摩擦运动可以单独执行第一阶段，当原始表面粗糙度ra＜1.0um，且表面粗糙度设计指标需要降低的幅度在60%以上，所述摩擦运动可以单独执行第二阶段。

进一步的，所述第一阶段用润滑物质中层状硅酸盐的含量为0.1wt%~1.5wt%，层状硅酸盐的平均粒径控制在5um以内；第二阶段用润滑物质中层状硅酸盐的含量为0.01wt%~1wt%，层状硅酸盐的平均粒径控制在2um以内。

进一步的，所述摩擦副的接触形式包括面面接触或线面接触，摩擦形式为滑动摩擦或滚动摩擦。

进一步的，所述润滑物质为含有层状硅酸盐矿物的润滑油、润滑脂与乳化液的一种或几种，所述层状硅酸盐矿物为蛇纹石、凹凸棒石、高岭石、蒙脱石的一种或几种混合的天然矿物或合成矿物。

进一步的，所述润滑物质的介入方式包括强制润滑与飞溅润滑。

本发明的有益效果为：

（1）工艺相对简单，一个工艺段就可以实现“提高表面硬度、光洁度、耐腐蚀性能”的综合目标，改善金属疲劳性能，还可一定程度提高耐高温性能，经多次实验与未处理金属表面相比，通过本申请方法处理过的高硬光洁耐蚀金属表面的表面硬度提高50%以上、表面粗糙度ra降低50%以上、3.5wt%nacl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低30~50%以上、抗疲劳性能显著改善，同时，处理后的金属表面耐高温性能得到显著提高，可在干摩擦无润滑状态进行一定时间的相对运动。

（2）可以进行表面区域的选择性处理。

（3）将普通碳钢的表面性能指标提高到合金钢的水平。

（4）可在达到相同金属表面指标的情况下，大幅度降低表面处理成本。

（5）可对整机中的摩擦件进行在线表面处理。

附图说明

图1为本申请中实施例1中摩擦副和对摩副工作示意图；

图2为本申请中实施例2中摩擦副和对摩副工作示意图；

图3为本申请中实施例3中摩擦副和对摩副工作示意图。

图中：1摩擦副，2对磨副，3油盒。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本申请进行进一步说明。

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施案例1：

在纯铁表面制备出宽度为2cm、面积为63cm²环状高硬光洁耐蚀表面，设计指标为：表面硬度提高一倍（原始表面维氏硬度为135）；光洁度≤0.1um（纯铁原始表面粗糙度ra为1.0um）；3.5wt%nacl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低45%以上。

将待处理纯铁样品制作成摩擦副1，对磨副2为缺口环状纯铁样品，缺口环状对磨副2样品外半径尺寸为6cm，内半径尺寸为4cm，摩擦副1的基本结构示意如图1所示。待处理纯铁样品固定不动，在缺口环状对磨副2上施加载荷，并通过电机驱动旋转。

摩擦副润滑方式为润滑油飞溅润滑（即润滑油浸泡摩擦副）。

第一阶段相对摩擦运动：向油盒3中添加含有1wt%蛇纹石（平均粒径为5um）的润滑油，润滑油用量为将摩擦面完全浸没。向缺口环状样品施加载荷850n（接触应力为1.35×10⁵pa），按800r/min（相对运动速度为3.3~5.0m/s）的角速度顺时针运转37个小时后停机，放出润滑油。

第二阶段相对摩擦运动：向油盒3中添加含有0.5wt%蛇纹石（平均粒径为2um）或者凹凸棒石（平均棒径为0.2um）的润滑油，润滑油用量为将摩擦面完全浸没。向缺口环状样品施加载荷400n（接触应力为0.64×10⁵pa），按3000r/min（相对运动速度为12.4~18.8m/s）的角速度顺时针运转35个小时后停机，测试表面弹性模量后，继续运转，并在每隔摩擦1个小时后，测试弹性模量一次，当弹性模量基本不变时停止摩擦。

前后累计摩擦97个小时，放出润滑油，拆卸环盘，先后测试表面粗糙度、表面硬度及耐腐蚀性能。

实施案例2：

制备出20cm×20cm的球墨铸铁高硬光洁耐蚀表面，设计指标为：表面硬度达到提高70%以上（球磨铸铁原始表面洛氏硬度为141）；表面粗糙度≤0.09um（球磨铸铁原始表面粗糙度为0.4um，）；耐腐蚀性3.5wt%nacl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低35%以上。

将待处理球墨铸铁样品制作成摩擦副1，对磨副2为45#钢，对磨副45#钢的表面粗糙度为0.3um，对磨副45#钢为3cm×3cm×3cm的立方块。摩擦副1的基本结构示意如图2所示，球墨铸铁固定不动，载荷施加在对磨副上，对磨副2在外力驱动下做周期性往复式滑动摩擦，每个冲程20cm，在同一区域完成往复式滑动后，转入毗邻区域（下移1cm）继续进行往复式滑动，以此类推，直至完全覆盖20cm×20cm的球墨铸铁待处理表面后，再从最初摩擦区域进行下一周期的全覆盖滑动摩擦，直到达到了设计运动时间为止。

润滑方式为润滑油强制润滑，在对磨副前端（运动方向）加装润滑油循环喷淋装置，只要对磨副发生相对运动，循环喷淋装置就在对磨副前端喷洒润滑油。

第一阶段相对摩擦运动：润滑油中蛇纹石与高岭石的含量为1wt%、0.5wt%，蛇纹石与高岭石的平均粒径为4um、1um。向对磨副施加载荷450n（接触应力为5×10⁵pa），以平均0.85m/s速率按上述要求运作45小时后停止，放出润滑油。

第二阶段相对摩擦运动：更滑润滑油，润滑油中蛇纹石与高岭石的含量为0.5wt%、0.1wt%，蛇纹石与高岭石的平均粒径为0.8um、1um。向对磨副施加载荷100n（接触应力为1.1×10⁵pa），以5m/s平均速率按上述要求运作27小时后停止。测试表面弹性模量后，继续运转，并在每隔摩擦1个小时后，测试弹性模量一次，当弹性模量基本不变时停止摩擦。

前后累计摩擦125个小时。放出润滑油，拆卸摩擦副，先后测试测试表面粗糙度、表面硬度与耐腐蚀性能。

实施案例3：

在圆柱体表面（不包括底面）制备出高硬光洁耐蚀表面，其中圆柱体高10cm，底面圆半径为4cm，材质为低碳钢，圆柱体原始表面粗糙度为1.1um，设计指标为：表面硬度提高55%（低碳钢原始表面洛氏硬度71）；表面粗糙度≤0.6um；3.5wt%nacl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低40%以上。

将待处理圆柱体制作成摩擦副1，对磨副2为低碳钢弧形件，弧形件的表面粗糙度为0.74um，弧形件弧度为120º、半径为4cm、宽度10cm，摩擦副的基本结构示意如图3所示。弧形件固定不动，载荷施加在弧形件上。圆柱体在电机驱动下做旋转运动。

润滑方式为润滑脂强制润滑，在弧形件加装内置润滑脂池，只要摩擦副发生相对运动，润滑脂即可涂覆到圆柱体表面。

只进行第一阶段相对摩擦运动，取消第二阶段相对摩擦运动。具体要求：润滑脂中蛇纹石与蒙脱石的含量为0.4wt%、0.2wt%，蛇纹石与蒙脱石的平均粒径为2um、1um。向弧形件施加载荷2000n（接触应力为2.4×10⁵pa），以1300r/min（相对运动速度为5.4m/s）的角速度速度按上述要求运转72小时后停止，测试表面弹性模量后，继续运转，并在每隔摩擦1个小时后，测试弹性模量一次，当弹性模量基本不变时停止摩擦。

累计摩擦83个小时。拆卸摩擦副，先后测试测试表面粗糙度、表面硬度及耐腐蚀性能。

实施案例4：

在飞溅润滑减速机齿轮箱（润滑油用量25l，减速比为25:1）的齿面上制备出高硬度光洁耐蚀表面，齿轮材质为20cr钢，洛氏硬度为52，表面粗糙度0.74um。设计指标达到：输入端齿轮齿面硬度提高30%、摩擦表面粗糙度≤0.3um。

相互接触的齿轮分别做为摩擦副和对摩副，按照齿轮箱润滑油用量的0.1%，在润滑油中加入蛇纹石与蒙脱石超细混合粉体（质量比为1:1），蛇纹石平均粒径为2.0um，蒙脱石平均粒径为1.5um，润滑油中粉体含量为0.5%。在输入转速1500r/min（相对运动速度3.2m/s）以及无载荷情况下（接触应力＜2×10⁵pa），连续运转60小时后，在输入转速2500r/min（相对运动速度5.3m/s）以及无载荷情况下（接触应力＜2×10⁵pa），继续运转60小时。拆卸齿轮箱，测试齿面表面硬度、表面粗糙度。

实施案例5：

在6212型号轴承的滚珠与滚道上制备高硬度、抗疲劳表面，轴承材质为高碳铬轴承钢，布氏硬度为197，表面粗糙度0.8um。设计指标达到：轴承滚珠、滚道硬度提高30%、表面粗糙度≤0.3um，疲劳寿命提高一倍。

相互接触的滚道轴承滚珠和分别做为摩擦副和对摩副，轴承用润滑脂为中小型电机轴承专用脂，润滑脂中的蛇纹石（或凹凸棒石）含量为0.5%，蛇纹石平均粒径（或凹凸棒石平均棒径）为0.8um，润滑脂中粉体含量为0.1%。在无载荷情况下（接触应力＜2×10⁵pa），以1200r/min转速（相对运动速度7.5m/s）运行30小时，以2400r/min转速（相对运动速度15m/s）运行30小时，以3000r/min（相对运动速度18.8m/s）转速运行60小时。处理后测量轴承的旋转精度、疲劳寿命。利用线切割方法分解轴承，测试轴承内部滚珠与滚道的表面硬度、表面粗糙度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式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。