[發明專利]摩擦滾壓制備金屬表面納米層的方法

有效

• 申請號: 200810204386.2
• 申請日: 2008-12-11
• 公開（公告）號: CN101445862A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發明（設計）人: 王渠東;林金保
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C22F1/00;B23P9/04
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種納米技術領域的制備方法，尤其是一種金屬材料表面的摩擦滾壓納米化方法。

背景技術

納米結構材料集優異的力學性能和獨特的物理性能于一體，已經引起了廣大研究者和工業界的極大興趣。但是，塊體納米結構材料的制備仍然是材料學界的難題之一，并且所制造的塊體納米材料難以進行工業應用。而在實際應用中，金屬材料的失效大多發生在材料的表面，表面的結構性能直接影響工程金屬材料的綜合服役性能。因此只要在材料上制備出一定厚度的納米結構表層，即實現表面納米化，就可以通過表面組織和性能的優化提高材料的整體性能，如抗疲勞性、耐腐蝕性和抗摩擦性，延長材料的使用壽命。

現有的金屬材料表面納米化的方法主要有兩類，第一類為表面涂層或沉積納米化，即在金屬材料表面涂敷或沉積一層本身具有納米尺度和性能的膜層，主要技術有：物理蒸發沉積(PVD)、化學蒸發沉積(CVD)，濺射鍍膜，電鍍和噴涂等。由于存在涂層與基體之間、涂層粒子之間結合力較弱的缺點，很容易引起表層剝離或脫落。而且存在設備投資大生產成本高，限制了該類方法的工業化應用。第二類為機械表面研磨納米化，即使用機械方法使金屬表面產生劇烈塑性變形，從而細化表面組織。主要技術有：高能噴丸、超聲噴丸、滾壓等方法。該類方法制備的表面納米層與基體組織之間不存在明顯的界面，不會發生脫落和分離，從而大幅提高材料使用性能。但該類方法仍存在一些局限性，如生產效率低、設備復雜、成本較高等缺點，很難進行工業化推廣。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利“機械零件的表面滾壓納米化方法”，公開號CN1621197A，公開日2005年6月1日；中國發明專利“零件的滾壓硬化方法”，公開號CN1119841A，公開日為1996年4月3日。該兩項專利都涉及一種零件表面的滾壓強化方法。即在一定載荷條件下，使用滾輪在零件表面上沿著一個方向或者兩個方向上反復滾壓，使零件表面發生劇烈塑性變形，位錯不斷增殖和運動。一方面提高了金屬材料表面及較淺表層的硬度，同時在材料表層下產生殘余壓應力；另一方面也細化了表層的組織。但使用的方法都僅是簡單的滾壓，即材料只受到壓應力，沒有剪切應力的作用，組織細化能力較弱，很難產生表層納米化效果。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，使其以簡單的工藝和設備解決背景技術中存在的缺憾，提高表層納米化能力和細化效率，使零件表面得到優異性能，提高服役壽命，同時使這種納米化方法易于實現工業化生產。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明采用支架和圓形的剛性滾輪對金屬材料表面施加一個壓應力P。支架帶動滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由支架控制，支架移動的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬表面不但受到壓應力還受到剪切應力的作用，使金屬材料表面產生劇烈塑性變形，導致晶粒細化，并最終實現金屬材料表面納米化。

所述支架運動方式為間歇運動，所述的間歇運動是指：支架帶動滾輪沿X方向以固定速度V_x往復運動，當完成X方向的滾壓后，支架沿與X軸呈45度、60度或90度的Y方向移動一定位移D，然后再沿X方向以固定速度V_x滾壓，持續滾壓直至完全覆蓋整個金屬表面；

所述的間歇運動時每次Y方向的位移量D為滾輪寬度的0.2～1倍。

所述滾輪滾壓面的線速度大于或小于支架的移動速度，滾輪的速度采取動力驅動或摩擦制動。

本發明中，所述支架運動的同時還需帶動滾輪旋轉，或給滾輪一個定量摩擦力，使其減速旋轉，即滾輪滾壓面的線速度V_輪不等于支架移動速度V_支，存在一個速度差V_差＝|V_支-V_輪|。這樣，在滾壓過程中，滾輪對金屬材料表面施加一個壓應力P的同時，產生一個剪切力T。使金屬材料表面產生劇烈剪切變形，導致材料表面晶粒細化，并最終實現金屬材料的表面納米化。對于不同的金屬材料，其實現表面納米化的最低壓力P和速度差V_差是不同的。一般來說，在其他因素相同時，壓力P和速度差V_差越大，形成的納米晶越細。經一定量的反復摩擦滾壓后即可獲得納米結構的金屬表層。本發明制得的金屬納米層為表面材料原位生產納米膜層，與金屬基體結合良好。