CN100464937C - 一种金属材料表面突体滚压处理方法 - Google Patents

Abstract

金属材料表面突体滚压处理方法，包括如下步骤：(1)用表面分布有若干突体的滚压模与被加工工件接触，(2)二者相对运动，与此同时，滚压模上的突体压入工件表面，使工件表面塑性变形，(3)重复步骤(2)，直至工件表面整体塑性变形若干次，突体压入工件表面的部分为球面，其直径为0.1mm-100mm，压入工件表面的深度为0.002mm-3mm，滚压的塑性形变速率为每秒10-10⁵，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为10^-2秒-10²秒。滚压加工设备为现有的压力加工设备，技术成熟，可靠性高，工艺参数可控性好，适合于广泛工业应用，通过不同的工艺条件控制，可以获得金属材料表面纳米化、自表面合金化的处理结果。

Description

一种金属材料表面突体滚压处理方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面通过变形改变物理及化学性能的加工处理方法，特别是一种金属材料表面突体滚压处理方法。

背景技术

利用表面加工技术可使金属零件表面的晶粒细化，并有可能达到纳米尺寸。借助压缩空气将小尺寸的弹丸高速喷射在金属零件表面是一种传统的处理方法，材料科学技术杂志(J.Mater.Sci.Technol.1999年第15卷第3期193页)论文中介绍了“超声喷丸”的方法，，用超声波发生器的高频率(20KHz)振动使直径约2毫米的硬质小球碰撞金属试样的表面，使其表面纳米化。

中国发明专利申请01122981“形成纳米结构处理方法和专用处理设备”，公开了一种金属材料表面形成纳米结构处理方法和专用处理设备，在确定的30秒—1300秒持续时间，由空气压缩机或涡轮机或超声波发生器使完全球状的直径30um—3mm的弹丸，以3—100米/秒的速度对待处理金属零件的全部表面进行喷射处理，形成纳米结构，并可在形成纳米结构的表层中进行渗碳、催化、离子储存等物理化学处理。

中国发明专利申请01128225“超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法”，公开了一种利用压缩气体携带硬粒通过超音速喷嘴，高速运动轰击金属材料表面，喷射距离5—50mm，气压0.4—30MPa，气体流量10—30g/S，硬质微粒直径50um—200um，处理后的纳米层厚度可达0.5—50um。

以上技术都是通过丸粒喷射轰击技术制备自表面纳米层的金属表面处理方法，它在满足广泛工业领域的应用方面以及处理的工艺控制方面存在不足之处：设备复杂，要求高，丸粒在喷射运行中，其运动轨迹受重力的影响，难以在空间全位置上实施处理；对于较复杂的内外表面的加工难以实现；对同一加工面不同部位实施差异化处理和不同尺寸及能量丸粒的交替应用的控制有困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述丸粒喷射处理方法的不足之处，提供一种适合于广泛工业应用、可控性好的金属材料表面突体滚压处理方法，从而获得金属材料表面纳米化、自表面合金化的处理结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种金属材料表面突体滚压处理方法，包括如下步骤：1、用表面分布有若干突体的滚压模与被加工工件接触，2、二者相对运动，与此同时，滚压模上的突体压入工件表面，使工件表面塑性变形，3、重复步骤2，直至工件表面整体塑性变形若干次；处理过程中工艺参数为：突体压入工件表面的部分为球面，其直径为0.1mm—100mm，压入工件表面的深度为0.002mm—3mm，滚压的塑性形变速率为每秒10—10⁵，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为10^-2秒—10²秒，滚压环境气压为10^-3Pa—大气压。

本发明的有益效果如下：采用滚压的加工处理方法，加工设备主要基础是现有的压力加工设备，技术成熟，可靠性高，工艺参数可控性好，适合于广泛工业应用，分布在滚压模上的突体在滚压时基本不受重力影响，易于在工件空间全位置上实施处理，可以用突体尺寸不同的滚压模对较复杂的内外表面同时或交替作用，或对同一加工面不同部位实施差异化处理，包括压入工件表面的深度不同，通过不同的工艺条件控制，可以获得金属材料表面纳米化、自表面合金化(在工件表面与突体之间加入特定物质)的处理结果。1平方米加工表面完成一次滚压塑性变形的时间是指突体滚压处理中，压入金属的突体球面上与原始金属表面相接触的球冠底圆面积的累计值达到正处理的这部分金属表面的表面积时所需的滚压时间。在多道次金属塑性加工中，道间的间隙时间是一个重要的工艺参数。本专利中所述的1平方米加工表面完成一次滚压塑性变形的时间所表示的间隙时间只是一种对于连续塑性加工所取的平均值，它便于工程上的相对计量。滚压环境气压为10^-3Pa—大气压，其作用是防止处理过程中工件表面受气体污染，以及对于运动的工件表面对流换热的抑制(升温及保温)或利用(快速降温和保温)。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的具体滚压模式示意图。

图2为图1中A部放大示意图。

图中标号为：1-滚压模，11-突体，2-工件。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本发明实施例1是对20钢环形工件的外圆柱面的表面进行滚压纳米晶化处理。

原始状态：退火态平均晶粒尺寸26um 工件尺寸Φ200×20×50处理过程及控制条件：清洁工件表面——滚压室气压6.67×10^-2Pa——三个滚压模处理，预滚压处理工艺：两个滚压模上分布有直径2mm的突体，它们压入工件的深度为0.02mm，另一个滚压模上分布着20mm直径的突体，它压入工件的深度为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒7×10³，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为13秒，以此工艺处理45秒(实际工件表面积为0.0314m²，其全表面滚压一次的时间为0.4秒)——滚压处理工艺：分布有2mm直径突体的两滚压模压入工件深度增至0.1mm，分布有20mm直径突体的另一滚压模压入工件深度仍为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒2×10⁴，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为1秒，以此工艺处理210秒——滚压模与工件脱离——滚压室通大气——10秒的快冷——停机——得到平均晶粒尺寸48nm，深度0.1mm的纳米晶层。

本发明实施例2是对Tu2纯铜环形工件的外圆柱面的表面进行滚压纳米晶化处理。

原始状态：退火态　平均晶粒尺寸42um工件尺寸Φ200×20×50处理过程及控制条件：清洁工件表面——滚压室气压1 Pa——三个滚压模处理，预滚压处理工艺：其中两个滚压模上分布有直径2mm的突体，它们压入工件的深度为0.02mm，另一个滚压模上分布着20mm直径的突体，它压入工件的深度为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒7×10³，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为13秒，以此工艺预滚压处理20秒——滚压处理工艺：分布有2mm直径突体的两滚压模压入工件深度增至0.1mm，分布有20mm直径突体的另一滚压模压入工件深度仍为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒2×10⁴，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为1秒(实际工件表面积为0.0314m²，其全表面滚压塑性变形一次的时间为0.031秒)，以此工艺滚压处理180秒——具有2mm直径突体的滚压模与工件脱离，具有20mm直径突体的滚压模压入工件深度改为0.002mm，滚压处理3秒——停机——得到平均晶粒尺寸53nm，深度0.11mm的纳米晶层。

例1和例2表明，应用本发明方法可以得到金属工件表面纳米化的晶层，工件制备纳米晶层的滚压处理时间范围为10—10⁵秒。

金属材料表面突体滚压处理制备纳米晶层所需的具体时间应按要求的平均晶粒尺寸、结合所处理的工件及处理的工艺特点由试验确定。通常被处理金属表面的平均晶粒尺寸，在不施加任何温度控制措施条件下，随处理进程的自然变化规律有三个时间段：首先晶粒尺寸快速下降至纳米晶，这是一种非等轴的具有冷变形特征的晶粒；然后纳米晶的平均晶粒尺寸平稳下降，晶粒呈等轴化；达到最小平均晶粒尺寸后，纳米晶的平均晶粒尺寸又不断增大。

本发明实施例3是对Tu2纯铜环形工件的外圆柱面的表面进行滚压镍合金化处理。

原始状态：外圆柱面镀镍的退火Tu2纯铜 镀镍层厚10um  工件尺寸Φ200×20×50

处理过程及控制条件：清洁工件表面——滚压室气压1Pa——三个滚压模处理，两滚压模上分布有直径2mm的突体，另一滚压模上分布有直径20mm的突体——预滚压处理工艺：滚压的塑性形变速率为每秒1×10⁴，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为4秒，分布有直径2mm突体的两滚压模压入工件深度为0.05mm，另一分布有直径20mm突体的滚压模压入工件深度为0.005mm，预滚压处理30秒——滚压处理工艺：具有2mm直径突体的两滚压模压入工件深度增至0.1mm，另一滚压模的压入工件深度仍为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒2×10⁴，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为1秒(实际工件处理表面一次滚压塑性变形时间为0.031秒)，滚压处理250秒——具有2mm直径突体的滚压模与工件脱离，具有20mm直径突体的滚压模压入工件深度改为0.002mm，滚压处理3秒——滚压室通大气——停机——得到横截面色彩明显变化的铜—镍合金层。

本发明实施例4是用外来相Al₂O₃渗入DT3纯铁对环形工件的外圆柱面的表面进行滚压合金化处理。

原始状态：外圆柱面上涂布有Al₂O₃颗粒的退火纯铁 Al₂O₃颗粒尺寸≤50nm 工件尺寸Φ200×20×50

处理过程及控制条件：涂布有Al₂O₃颗粒的工件外圆柱面——滚压室气压3×10^-2Pa——三个滚压模处理，两滚压模上分布有直径2mm的突体，另一滚压模上分布有直径20mm的突体——预滚压工艺：滚压的塑性形变速率为每秒4×10²，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为240秒，分布有直径2mm突体的两滚压模压入工件深度为0.05mm，另一分布有直径20mm突体的滚压模压入工件深度为0.005mm，预滚压处理2400秒——滚压处理工艺：具有2mm直径突体的两滚压模压入工件深度增至0.1mm，另一滚压轮的压入工件深度仍为0.005mm，滚压的塑性形变速率为每秒2×10⁴，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为1秒(实际工件处理表面一次滚压塑性变形时间为0.031秒)，滚压处理180秒——具有2mm直径突体的滚压模与工件脱离，具有20mm直径突体的滚压模压入工件深度改为0.002mm，滚压处理10秒——滚压室通大气——停机——得到表层弥散分布纳米Al₂O₃的合金层。

例3和例4表明，在相对运动的滚压模与工件表面之间存在有自合金化所需的特定物质，可以是涂镀层(例如镀镍、涂布Al₂O₃颗粒)、覆层等形式，它们作为自表面合金化组元或外来相，在本发明滚压处理过程中进入工件表层中，形成合金化层。工件表面制备合金化层的滚压处理时间范围为5—10⁵秒。

在本发明处理方法中，可以是一个工件对应一个及其以上数量的滚压模，也可以是一个滚压模对应一个及其以上数量的工件。前一种情况下，在总的工艺条件范围内，两个以上的滚压模之间突体尺寸可以相同，也可以不同，突体压入工件表面的深度可以相同，也可以不同，两个以上滚压模可以同时滚压，也可以依次滚压，还可以同时滚压与依次滚压交替进行。

在本发明处理方法中，金属工件表面的温度也是一个重要参量。它决定于1平方米加工表面完成一次滚压塑性变形的时间、滚压塑性变形的速率、滚压处理时间、附加的加热条件及传、导热的冷却状况等。尽管低的表面温度也能达到突体滚压制备表面纳米晶层与表面合金化的目的，为了有利于减少滚压中金属材料的开裂倾向及使已有的裂纹锻焊合与热压焊合，通常选择较高的表面处理温度。在金属材料表面突体滚压纳米化处理的方法中，晶粒的急剧长大是限制采用更高滚压表面温度的最主要因素。由于影响晶粒急剧长大温度的因素是多方面的，包括金属材料的类别、材料的组分、处理过程中完成1平方米表面一次滚压塑性变形的时间与滚压处理的形变速率以及滚压深度、滚压终结后对处理表面的冷却能力等，以及在工程上难以准确测量真空中运动工件表面温度(例如室温至700℃)，所以采用综合工艺控制实现对工件表面温度的间接控制。因此为避免过高的温度使最终的晶粒尺寸无法控制，处理过程中工件表面的温度应控制在使金属晶粒发生急剧长大的温度以下。

在金属材料表面滚压自合金化处理的方法中，强调保持高的表面温度是因为它有利于合金化过程的顺利、快速进行。它的高温限制因素主要是自合金化表层发生了不希望的相变或滚压模材料的使用寿命。

Claims (7)

1、一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是包括如下步骤：(1)、用表面分布有若干突体的滚压模与被加工工件接触，(2)、二者相对运动，与此同时，滚压模上的突体压入工件表面，使工件表面塑性变形，(3)、重复步骤(2)，直至工件表面整体塑性变形若干次；其中：突体压入工件表面的部分为球面，突体的直径为0.1mm—100mm，压入工件表面的深度为0.002mm—3mm，滚压的塑性形变速率为每秒10—10⁵，对1平方米加工表面完成一次塑性变形的时间为10^-2秒—10²秒。

2、根据权利要求1所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是，滚压环境气压为10^-3Pa—大气压。

3、根据权利要求1所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是处理过程中一个工件对应一个或两个以上数量的滚压模，当一个工件对应两个以上数量的滚压模时，在总的工艺条件范围内，两个以上的滚压模上的突体尺寸相同或不相同，突体压入工件表面的深度相同或不相同，两个以上滚压模同时滚压或依次滚压或同时滚压与依次滚压交替进行。

4、根据权利要求1所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是处理过程中一个滚压模对应一个以上数量的工件。

5、根据权利要求1所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是处理过程中工件表面的温度应控制在使金属晶粒发生急剧长大的温度以下。

6、根据权利要求1至5中任意一项所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是在相对运动的滚压模与工件表面之间存在有自合金化所需的特定物质，它们作为自表面合金化组元，在滚压处理过程中进入工件表层中，形成合金化层。

7、根据权利要求1至5中任意一项所述的一种金属材料表面突体滚压处理方法，其特征是在相对运动的滚压模与工件表面之间存在有自合金化所需的特定物质，它们作为外来相在滚压处理过程中进入工件表层中，形成合金化层。

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