大轴承12和压环13 ;轴套18、键3和小轴承4依次相连，且轴套18、小齿轮2、键3和小轴承4均绕轴5转动；小齿轮2通过键3、小轴承4、轴5和轴套18传递手轮6施加的转动，小齿轮2与大齿轮17啮合传递转动，大齿轮17的内螺纹和锥形模8外螺纹啮合，将旋转运动方式转换为锥形套8的前后直线运动，通过锥形套8内的内孔锥面将前后直线运动进一步转换为硬质合金球11向金属材料的进退运动。
[0045]通过螺栓10-1，将锥形模8固定在模架9的底端；通过套筒凸台7的外螺纹和模架9底部外侧的内螺纹，将模架9固定在套筒1上；在模架9的锥形圆孔里放置黄油和多个硬质合金球11 ;转动手轮6可使锥形模8和模架9 一起向前运动；当模架9与套筒凸台7将要接触时，停止转动手轮6，松开并卸下固定模架9和锥形套8的螺栓10-1 ;然后继续转动手轮6，锥形模8继续向前运动和模架9底端分离。
[0046]固定板及轴向进给机构14和压盖15位于套管1的下部；润滑冷却系统16内放置有冷却介质22。
[0047]如图3、图4和图5所示，卸掉螺栓10-1，将测量套管21安装在套筒1上，刻度尺10-2通过螺纹与锥形模8的底端连接；将基准块20-1装卡到车床的卡盘上，转动手轮6让锥形套8向前或向后运动，使得硬质合金球11紧贴基准块20-1，此时基准块20-1与硬质合金球11的间隙为零；转动刻度尺10-2使得测量套管21外径最小端与刻度尺上的读数0交汇，刻度尺10-2上的读数0表示硬质合金球11与基准块20-1之间的间隙值为0 ;轻微转动手轮6，使得硬质合金球11与基准块20-1不紧贴，刻度尺10-2上的读数负数为硬质合金球11与基准块20-1之间的间隙值。
[0048]卸下基准块20-1，将金属材料棒材20-2装卡到车床的卡盘上，设计道次压下量(0.05mm?0.1mm)，道次压下量在刻度尺10_2上的读数为(基准块半径-金属材料棒材半径+设计道次压下量)X 100。例如基准块的半径为50mm，金属材料棒材的半径40.95mm,设计道次压下量为0.05mm，需要转动手轮使得刻度尺上的读数为(50-40.95+0.05) X 100 =10，基准块20-1的半径为50mm，金属材料棒材的半径50.1mm，设计道次压下量为0.05mm，需要转动手轮6使得刻度尺10-2上的读数为(50-50.1+0.05) X 100 = -5。转动手轮6使得多个硬质合金球11同步向金属材料棒材20-2移动，同时对金属材料棒材20-2压下。
[0049]启动润滑冷却系统16，给金属材料棒材20-2和硬质合金球11浇润滑冷却液。开动车床，金属材料棒材20-2高速转动，转速为540r/min?1200r/min，走刀箱(硬质合金球)的轴向进给量为60mm/min?240mm/min，硬质合金球11在高速转动金属材料棒材20_2的表层滚碾塑性变形。
[0050]滚碾完一道次后，转动手轮6，使得硬质合金球11脱开金属材料棒材20-2，手摇车床手轮将金属材料棒材20-2从多个硬质合金球11形成的模腔中退出。再次启动润滑冷却系统16，给金属材料棒材20-2和硬质合金球11浇润滑冷却液。随后重新设计道次压下量，进行后续多道次滚碾塑性变形，直到在金属材料棒材20-2表面形成梯度微纳米结构层。对滚碾塑性变形后的金属材料棒材20-2取样，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一种或一种以上测试分析金属材料表层梯度微纳米结构。
[0051]如图6所示，本发明亦可采用多排硬质合金球对金属材料棒材滚碾塑性变形处理，进一步提高梯度微纳米结构层的制备效率。
[0052]实施例1
[0053]采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为60mm的纯锆棒材。硬质合金球半径为12mm，硬质合金球的个数为8，纯错棒材的转速为720r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为126mm/min，硬质合金球道次压下量为0.05mm。采用乳化液润滑冷却，对纯锆棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为480 μ m。
[0054]实施例2
[0055]米用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理规格为i>90mmX20mm的纯钛厚壁管材。硬质合金球半径为6mm，硬质合金球的个数为18，纯钛厚壁管材的转速为600r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为72mm/min，硬质合金球道次压下量为0.05mm。采用乳化液润滑冷却，对纯纯钛厚壁管材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为415 μπι。
[0056]实施例3
[0057]采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为60mm的纯铌棒材。硬质合金球半径为4mm，硬质合金球的个数为22，纯银棒材的转速为960r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为180mm/min，硬质合金球道次压下量为0.06_。采用乳化液润滑冷却，对纯铌棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为520 μ m。
[0058]实施例4
[0059]采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为50mm的纯钽棒材。硬质合金球半径为8mm，硬质合金球的个数为8个，纯钽棒材的转速为1200r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为240mm/min，硬质合金球道次压下量为0.08mm。采用乳化液润滑冷却，对纯铌棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为945 μπι。
【主权项】
1.一种塑性变形处理金属材料表层的装置，其特征在于，所述装置包括套筒(1)，小齿轮(2)，键⑶，小轴承(4)，轴(5)，手轮(6)，套筒凸台(7)，锥形模(8)，模架(9)，螺栓(10-1)，硬质合金球(11)，大轴承(12)，压环(13)，固定板及轴向进给机构(14)，压盖(15)，润滑冷却系统(16)，大齿轮(17)和轴套(18); 套筒⑴内装有小齿轮⑵、键⑶、小轴承(4)、轴(5)、大齿轮(17)、轴套(18)、大轴承(12)和压环(13);轴套(18)、键(3)和小轴承(4)依次相连，且轴套(18)、小齿轮(2)、键⑶和小轴承⑷均绕轴(5)转动；小齿轮⑵通过键(3)、小轴承(4)、轴(5)和轴套(18)传递手轮(6)施加的转动，小齿轮(2)与大齿轮(17)啮合传递转动，大齿轮(17)的内螺纹和锥形模(8)外螺纹啮合；通过螺栓(10-1)，将锥形模(8)固定在模架(9)的底端；通过套筒凸台(7)的外螺纹和模架(9)底部外侧的内螺纹，将模架(9)固定在套筒(1)上；在模架(9)的锥形圆孔里放置黄油和硬质合金球(11); 固定板及轴向进给机构(14)和压盖(15)位于套管⑴的下部；润滑冷却系统(16)内放置有冷却介质(22)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还对所述装置安装刻度尺(10-2)和装卡基准块(20-1): 卸掉螺栓(10-1)，将测量套管(21)安装在套筒(1)上，刻度尺(10-2)通过螺纹与锥形模(8)的底端连接；装卡基准块(20-1)，旋转机构(19)与基准块(20-1)相连，启动后使基准块(20-1)旋转。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基准块(20-1)为圆柱体。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硬质合金球(11)的半径为4mm?.15mm，个数为6?24个，均布放入模架(9)的锥形圆孔中；所述锥形模⑶内孔的锥度为.0.1。?1。。5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刻度尺(10-2)等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺的精度为0.01mm。6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旋转机构(19)为机床，同时具备实现金属材料转动、硬质合金球(11)和模架(9)轴向进给、以及变形润滑冷却的功能。7.利用权利要求1-6任一项所述的装置进行塑性变形的方法，其特征在于，包括如下步骤: a.转动手轮(6)使硬质合金球(11)与基准块(20-1)贴合，调整刻度尺位置，使得刻度尺上的读数为O ; b.卸下基准块(20-1)，将金属材料棒材(20-2)装卡到旋转机构(19)上，设计道次压下量；转动手轮(6)使得多个硬质合金球(11)同步向金属材料棒材(20-2)移动，同时对金属材料棒材(20-2)压下； c.启动润滑冷却系统(16)，对金属材料棒材(20-2)和硬质合金球(11)进行润滑冷却； d.启动旋转机构(19)，金属材料棒材(20-2)做高速旋转运动，硬质合金球(11)和模架(9) 一起沿金属材料棒材(20-2)轴向进给，多个硬质合金球(11)对金属材料棒材(20-2)表层同时进行滚碾塑性变形； e.步骤c和d反复交替进行，对金属材料表层进行多道次滚碾塑性变形，直到在金属材料表层形成梯度微纳米结构层； f.对步骤e滚碾成形的金属材料取样，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一种或一种以上测试分析梯度微纳米结构层。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤b中，设计道次压下量为0.05mm?.0.1mm09.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤d中，金属材料棒材(20-2)的转速为.540r/min?1200r/min，硬质合金球(11)和模架(9)的轴向进给量为60mm/min?240mm/min010.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述梯度微纳米结构层的厚度为.400 μ m ?1000 μ mD
【专利摘要】本发明属于材料表面改性处理技术领域，具体涉及一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法。所述装置主要包括多个硬质合金球，模架，锥形模，齿轮，轴承，手轮，螺栓，刻度尺，旋转机构和基准块等。本发明首次利用滚碾塑性变形新技术制备梯度微纳米结构，将梯度微纳米结构层的优异性能赋予金属材料的表面，提高金属材料的综合性能；本发明采用多个硬质合金球同时对大面积金属材料表层进行滚碾塑性变形处理，显著提高在金属材料表层获得梯度微纳米结构的制备效率。本发明可实现高效可控制备，易于实现工业化环境友好生产，在工业实际应用方面具有良好的应用前景。
【IPC分类】C22F1/00, C21D7/04
【公开号】CN105238916
【申请号】CN201510642243
【发明人】郭胜利
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月30日