[發明專利]一種在軸類金屬材料表層形成納米梯度組織的方法

有效

• 申請號: 201210103152.5
• 申請日: 2012-04-10
• 公開（公告）號: CN102643966A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 斯曉;陶乃镕;盧柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及在軸類金屬材料表層形成納米梯度組織的表面處理技術，特別提供了在材料表層產生塑性變形的加工方法，使材料表層晶粒尺寸由表面至內部依次為納米尺寸晶粒、亞微米尺寸晶粒、變形晶粒及初始晶粒組織。

背景技術

目前，在軸類金屬材料表面形成梯度結構的方法主要有：

①表面機械研磨處理方法

表面機械研磨處理方法是通過高速運動的彈丸撞擊被處理材料表面，在材料表層產生強烈的塑性變形，引入大量的缺陷，如位錯、孿晶、剪切帶等，當位錯密度足夠大時發生位錯湮滅、重組，形成納米尺寸晶粒，晶粒尺寸沿厚度方向呈逐漸增大的梯度結構。優點：材料整體疲勞性能提高，納米結構表層具有較高擴散能力，有利于低溫滲氮等化學處理。缺點：被處理材料表面粗糙度較大。

②滾壓方法

滾壓方法的實施主體是滾壓刀具，它是一種壓力光整加工，是利用金屬在常溫狀態的冷塑性特點，通過滾壓刀具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產生塑性流動，填入到原始殘留的低凹波谷中，而達到提高工件表面光潔度。由于被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細，形成致密的纖維狀，并形成殘余應力層，硬度和強度提高，從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性，滾壓是一種無切削的塑性加工方法。優點：工件表面粗糙度降低，提高表面硬度，提高疲勞性能，減少磨損，延長使用壽命。缺點：滾壓技術的優勢在于使工件的表面光潔度提高，至于提高表面硬度及疲勞性能是有限度的，因為滾壓技術是不可能使工件表面形成納米晶體結構，甚至不能形成亞微米結構。根據Hall-Petch關系，金屬材料的強度隨晶粒尺寸減小而增大，所以滾壓技術對提高工件的表面硬度是有限的。

③表面機械碾壓方法

表面機械碾壓方法是通過刀具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產生塑性流變而使組織發生晶粒細化，從而提高工件表面的強度和耐磨性。優點：可以使被加工工件的表面形成納米梯度組織，表面光潔度比表面機械研磨處理方法要好，加工后的屈服強度和疲勞性能比加工前有大幅度的提高。缺點：加工后工件的表面光潔度還是不夠好。

發明內容

本發明目的在于提供一種利用硬質合金球在軸類金屬材料表層通過塑性變形從而形成納米梯度組織的表面處理方法，解決現有技術中存在的被處理材料表面粗糙度較大、表面光潔度不好、工件表面難以形成納米晶體結構等問題。

本發明的技術方案是：

一種在軸類金屬材料表層形成納米梯度組織的方法，采用球形處理刀具在旋轉的軸類金屬材料表面進行滾動，同時球形處理刀具沿被處理工件軸向運動，通過在材料表層產生塑性變形的處理方法，通過強烈的塑性變形，使被處理工件材料表層晶粒發生晶粒細化而形成梯度納米組織，其變形層的深度達到100-300微米，被處理工件材料表層晶粒尺寸由表面至內部依次為納米尺寸晶粒、亞微米尺寸晶粒、變形晶粒及初始晶粒組織。

其中，納米層的厚度為5微米～30微米，亞微米層的厚度為50微米～100微米，晶粒變形層的厚度為50微米～200微米，初始晶粒組織的厚度取決于軸類金屬材料的直徑。

該處理方法是通過軸類金屬材料轉動系統、球形處理刀具、刀具自動進給系統和冷卻潤滑系統實現的，其中：軸類金屬材料轉動系統和刀具自動進給系統是由車床實現，被處理工件安裝于軸類金屬材料轉動系統的輸出端，軸類金屬材料轉動系統帶動被處理工件旋轉，球形處理刀具安裝在刀具自動進給系統上，球形處理刀具與被處理工件的一側相對，通過刀具自動進給系統控制球形處理刀具在被處理工件表面的進給量，被處理工件的另一側設置冷卻潤滑系統，在加工過程中冷卻潤滑系統用潤滑油冷卻被處理工件，同時降低被處理工件和球形處理刀具之間的摩擦系數。本發明球形處理(加工)刀具可由1-4個硬質合金球組成，根據被處理工件力學性能(如硬度)、形狀、直徑大小，選用相應的刀具大小及球的直徑，球的直徑從6毫米-20毫米。被處理工件高速旋轉，根據其直徑大小，被處理工件的旋轉速度在90毫米/秒-300毫米/秒之間。球形處理刀具在車床刀具自動進給系統的刀架上做軸向單方向運動，對被處理工件(軸類金屬材料)表面每次加工的壓下量從10微米/次-40微米/次，球形處理刀具的軸向運動速度6毫米/分鐘-50毫米/分鐘，加工次數從3次-20次。冷卻介質和加工潤滑劑均采用潤滑油循環系統實現。

本發明中，被處理工件加工處理的溫度為室溫至零下100℃。

本發明具有如下優點：

1.加工方法簡單。只需要設計適宜的處理刀具，在目前商用車床上即可實現本發明。