[發(fā)明專利]Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼軸類工件表面納米層制備方法

在審

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• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104044018A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅偉;嚴(yán)密;王琪明;宮海龍;陸江旭;馬天宇;姜銀珠
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米晶表面層制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼軸類工件表面納米層制備方法。

背景技術(shù)

表面納米化，是納米表面工程中一個重要的研究熱點，其通過在材料表面形成納米結(jié)構(gòu)表層，利用納米材料優(yōu)異的功能特性顯著改善材料的整體性能和特性，特點是可以采用許多現(xiàn)有的表面加工技術(shù)即可實現(xiàn)，受工件形狀、尺寸的限制較小，生產(chǎn)率高。這為納米技術(shù)與常規(guī)金屬材料的結(jié)合提供了切實可行的途徑。因此，在工業(yè)上有著巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力，也有利于開展對納米材料一些其它性能的研究。納米表面化被認(rèn)為是最有可能在結(jié)構(gòu)材料上獲得突破的納米技術(shù)之一。研究結(jié)果表明，表面納米化有利于改善工程金屬材料表面（和整體）的機(jī)械和化學(xué)性能。

在塊狀粗晶材料上獲得納米結(jié)構(gòu)表層主要有三種基本方式：1）表面涂覆或沉積法；2）表面自生法；3）復(fù)合雜交法。第一種方式主要基于現(xiàn)有的常規(guī)涂覆或沉積技術(shù)，如PVD、CVD、濺射、電解沉積等；第二種方式通過非平衡處理（機(jī)械或熱激活）使多晶材料表面層粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級；第三種方式是將納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合，在納米結(jié)構(gòu)表層形成時或形成后，對材料進(jìn)行化學(xué)處理，在材料表層形成與基體成分不同的固溶體或化合物的納米結(jié)構(gòu)層。表面自生法所得納米結(jié)構(gòu)表層是一種梯度結(jié)構(gòu)，與基體不存在界面，且與納米化前相比，材料外形尺寸基本不變，有其獨特的優(yōu)點。機(jī)械和熱激活表面納米化，前者更具有開發(fā)應(yīng)用價值。因此，目前表面納米化研究多集中在機(jī)械激活表面自身納米化。理論上講，多數(shù)常規(guī)的機(jī)械表面處理技術(shù)，如噴丸、激光脈沖沖擊處理以及機(jī)械研磨、拋光、表面滾壓等，都潛在地可用于實現(xiàn)表面納米化，其關(guān)鍵在于必須使材料表面層產(chǎn)生強烈的塑性變形，以滿足納米化要求。

國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校都開展了金屬材料表面納米化的研究工作，如中科院金屬所盧柯等利用噴丸、表面機(jī)械研磨方法在純鐵、低碳鋼和不銹鋼等材料表面獲得了晶粒平均尺寸為10~20nm的納米表面層，德國Altenberger等利用噴丸和強烈表面滾壓（deep?rolling）兩種處理技術(shù)、加拿大Wang等利用噴丸-退火工藝在AISI304不銹鋼材料表面制備了納米復(fù)合表面層，中科院金屬所熊天英等采用超音速微粒轟擊方法在奧氏體不銹鋼管上和40Cr鋼上獲得了晶粒平均尺寸為~14nm的納米表面層。不同的表面納米化方法各有其特點，所導(dǎo)致的納米化微觀機(jī)理存在差異；不同結(jié)構(gòu)的材料，其納米化行為也存在差異。近年來由于受到材料、物理及計算機(jī)模擬技術(shù)等方面新成果的支撐，有關(guān)金屬材料表面納米化的制備和性能研究有了長足進(jìn)展，有關(guān)其納米化機(jī)制、強化和韌化機(jī)理以及力學(xué)性能和腐蝕行為的理解也不斷深入，國內(nèi)外科學(xué)工作者正在不懈努力，致力于便捷可靠、高效的金屬材料表面納米化的制備和本征性能研究。

碳素結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、供水、建筑、鐵道、橋梁、國防等領(lǐng)域，主要用于制造承受靜載荷的各種金屬構(gòu)件及不需要熱處理的機(jī)械零件和一般焊接件，其中Q235是應(yīng)用最廣泛的一種碳素結(jié)構(gòu)鋼。金屬材料的失效形式主要是腐蝕、磨損和斷裂，而腐蝕、磨損和疲勞斷裂均始自材料表面，所以材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響工程金屬材料的綜合性能。利用納米金屬材料的優(yōu)異性能對傳統(tǒng)工程金屬材料進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)改良，在Q235傳統(tǒng)碳素結(jié)構(gòu)鋼表面制備出一層具有納米晶體結(jié)構(gòu)的表面層，即表面納米化，可顯著提高其綜合力學(xué)性能及環(huán)境服役行為，具有巨大的工程應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼軸類工件表面納米層制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼軸類工件表面納米層制備方法，包括以下步驟：

（1）將商用Q235圓鋼車加工為圓軸狀工件，表面粗糙度≤12.5μm；

（2）對步驟1加工后的圓軸狀工件表面進(jìn)行丙酮清理；

（3）將步驟2清理后的圓軸狀工件的圓弧頂面與超聲波圓盤狀聲極圓弧底面相接觸；

（4）啟動表面納米化處理裝置，在壓強0.50~0.55MPa、超聲波輸出功率2800~3000W、頻率20KHz、振幅35~40μm、工件旋轉(zhuǎn)線速度5.0~5.7mm/s和直線行走速度3.1~21mm/min規(guī)范參數(shù)下對工件進(jìn)行表面納米化處理，即可得到表面納米化的工件。

本發(fā)明與其他金屬材料表面納米化制備技術(shù)相比，主要具有以下4個特點：

1.對工件表面粗糙度要求不高；

2.在大氣環(huán)境中對工件進(jìn)行表面納米化處理，簡單、便捷、高效，可控性好；

3.無污染，潔凈環(huán)保；