CN100519773C - 超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声波高能表面机械加工实现金属件无涂层表面纳米化的方法。一种超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。本发明可对形状复杂、大尺寸的金属件表面进行高能机械加工，并以更高的应变速率实现之，而且无须任何弹丸或微粒作为中间能量(或动量)载体就能够实现金属件表面纳米化。

Description

超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法

(一)技术领域

本发明涉及一种在金属件表面形成纳米晶层(表面纳米化)方法，尤其涉及一种利用超声波高能表面机械加工实现金属件无涂层表面纳米化的方法。

(二)背景技术

晶粒细化能够在提高强度的同时改善金属的韧性。随着纳米科技的出现，在实验室中将金属块体的晶粒细化到纳米级(<100nm)已经变成现实。大量的研究揭示，纳米晶金属材料的确具有独特的性能，其中包括高强度、高硬度和良好的韧性等优异的力学性能。然而，纳米晶金属结构材料的应用存在两个突出难题：

(1)当晶粒直径在小于1μm(亚微米级，晶粒直径在1μm～100nm之间；纳米级，晶粒直径小于100nm)时，金属的加工硬化能力逐渐丧失、屈服强度与抗拉强度之比(简称“屈强比”)增大(常规材料的屈强比通常小于0.7，而纳米及亚微米晶金属材料屈强比却常常大于0.9，甚至趋近于1)、均匀拉伸延伸率降低、塑性恶化。这一致命的弱点极大地限制了纳米及亚微米晶金属材料在结构件中的直接应用。

(2)作为结构材料，较大的外观尺寸常常是必需的，而大尺寸块体纳米材料的制备是一个世界性的难题。现有的制备技术(例如，粉末冶金、非晶晶化和马氏体大变形再结晶等)的工艺复杂性和困难程度使得大尺寸块体纳米晶金属结构材料的规模化生产成本高昂且不现实。

解决上述难题的方法之一是采用一种新型的表面改性技术——表面纳米化(surface nanocrystallization，简称SNC)。鉴于失效(磨损、腐蚀和疲劳等)通常都是从材料或构件表面开始的，对表面层进行局部的纳米化处理改善的就不仅仅是表面性能，而且是材料或构件的整体性能。这肯定要比对材料或构件整体进行纳米化要容易和经济得多。此外，由于只有表面层进行了纳米化，材料或构件的绝大部分(心部)仍然为常规的微米晶并具有足够的塑性。这种纳米晶与常规微米晶组成的广义复合材料可以在强度、塑性和韧性之间取得良好的平衡。

表面纳米化可以分为三种类型：第一类，引入异质材料从而在材料表面形成纳米结构涂层或镀层，称为有涂层表面纳米化；第二类，利用高能表面机械加工使金属表面发生局部强烈塑性变形，进而导致表面自身纳米化，称为无涂层表面纳米化；第三类，为第一、第二类表面纳米化的组合。

目前，有多项表面纳米化专利已经获得授权或受理，其中发明专利“一种金属材料表面纳米层的制备方法(公开号CN 1301873A)”，发明专利“形成纳米结构的机械方法和专用机械设备(公开号CN1336321A)”(等效专利FR2812284、WO0210463、AU8408701)，发明专利“形成纳米结构方法和专用设备(公开号CN 1336444A)”(等效专利FR2812286、WO0210461、AU8224001)，发明专利“形成纳米结构处理方法和专用处理设备(公开号CN 1336445A)”(等效专利FR2812285、WO0210462、AU8224101)的共同特征在于，都使用了弹丸作为输入能量的载体，通过使待处理工件表面发生局部强烈塑性变形将表面晶粒细化到纳米尺度，最终达到表面纳米化的目的。这些专利的主要问题是处理过程处于一个密闭的腔体中，能够表面纳米化的工件形状和尺寸有限，无法处理大尺寸的工件。

发明专利“超音速微粒轰击金属表面纳米化方法(公开号CN1410560A)”(等效专利申请号US58260-010100)则利用压缩空气携带硬质微粒通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面，可以解决工件形状和尺寸的限制问题。该发明可以对对形状复或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀。该发明的最大优点是可以纳米化处理的工件形状和尺寸不受限制，其不足之处在于硬质微粒回收再利用困难、所形成的表面纳米化层太薄且表面光洁度不高(如果当工艺控制不当，超音速微粒轰击还可能引起冲蚀(erosion)从而造成对工件不同程度的损伤)。此外，为了隔绝粉尘和噪音，该发明的装置需要放置在一个类似于喷涂间的隔音室(或隔音箱)中。

日本公开特许公报JP2003039398提出了一种基于落锤原理的“金属制品的表面纳米化方法”。根据这一方法，在一个落锤的端面有至少一个突起。落锤加速落下，使每个突起能够以0.1kg.m/s的动量撞击置于落锤下方的金属件表面，从而使金属件被撞击部位发生表面纳米化。这一方法虽然十分简单方便，但能够处理的金属件的尺寸和形状有限，同时形成的表面纳米晶层的均匀性也不够理想。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，该方法可对形状复杂、大尺寸的金属件进行表面纳米化，不仅可以对金属件进行局部强烈塑性变形、同时还可以确保这种变形能够以更高的应变速率实现的更有效的表面纳米化，并且无须任何弹丸或微粒作为中间能量(或动量)载体就能够对金属件直接进行高能表面机械加工，实现金属件表面纳米化。

本发明是这样实现的：一种超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。

上述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，所述冲头的冲击功率为10-500W、频率为20-30kHz、振幅为2-30μm、球形冲头的曲率半径为1-5mm。

上述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，所述冲头相对于金属件表面移动的线速度v_x应该满足0≤v_x≤2fr和 $v_x=2f\sqrt{h(2R-h)},$ 其中r和h分别是单次冲击后形成的凹坑半径和连续冲击后表面上的凸台高度；冲头相对于金属件表面移动的线速度v_x还应该确保相邻两个冲击凹坑之间有足够高的相对重叠度L， $L=\frac{2r-\mathrm{\&lambda;}}{2r}\&times;100\%,$ 其中λ为两个相邻凹坑的间距，以实现局部强烈塑性变形的累积。

上述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，所述沿金属件表面各个方向上冲击凹坑的相对重叠度L应相等。

上述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，所述对于金属件二维平面的表面纳米化处理，控制冲头相对于X和Y两个方向移动的线速度相等，使X和Y两个方向的相对重叠度相等。

本发明的原理包括以下两个方面：

(1)高能表面机械加工的基本原理。利用压电陶瓷或电磁感应装置将电能转化成高能超声波，再通过超声波换能器上的专用冲头与待处理金属件表面之间直接接触，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形。

(2)表面纳米化的基本原理。利用强烈塑性变形可以细化金属的晶粒。由于采用高能表面机械加工方法，可以在金属件表面层造成高应变速率的局部强烈塑性变形。与块体金属件的整体强烈塑性变形相比，表面层局部的变形可以达到更高的应变水平——极度强烈塑性变形；与普通喷丸或落锤方法相比，局部强烈塑性变形能够以更高的应变速率发生——甚至可以实现超音速强烈塑性变形——从而能够更有效地将金属件表面层的晶粒细化到纳米级。

本发明的优点在于：

(1)在金属件表面能够形成一层化学成分与金属件基体完全相同的纳米晶。这一纳米晶层与金属件基体之间没有明显的分界线，结合良好、性能过渡均匀。表面层由于晶粒在纳米尺度而具有高的强度、硬度和优异的韧性，可以有效阻止自表面开始的失效(如，磨损和疲劳裂纹的萌生等)；而占金属件绝大部分的基体金属的晶粒尺寸仍然在微米级从而具有良好的塑性。整个金属件形成一种纳米晶与微米晶的广义复合材料结构并具有良好的综合力学性能——表面纳米晶可以有效阻止自表面开始的失效(如，磨损和疲劳裂纹的萌生等)，基体微米晶可以承担整个金属件的塑性变形。因此，经过本发明的表面纳米化处理后，金属件的耐磨性和抗疲劳性能显著提高，而塑性并不会下降。

(2)由于采用了高能表面机械加工方法，输入的能量集中在金属件的表面层并只造成表面纳米化，这要比使金属件整体纳米化更易于实现、消耗的能量更少、成本更低。

(3)由于金属件与超声波换能器之间的相对位置和相对运动形式可以变化多样，本发明可以适合各种复杂形状金属件的表面纳米化处理。如，金属件静止，而超声波换能器做二维往复直线运动，可以对金属件的平面部位进行表面纳米化处理；金属件旋转，而超声波换能器沿旋转轴做一维直线运动，可以对金属件的端部平面进行表面纳米化处理，也可以对金属轴件的圆柱面进行表面纳米化处理；将超声波换能器安装在多轴机械手上，则可以对更复杂形状的金属件进行三维空间曲面的表面纳米化处理。

(4)如果在金属件常规机械加工之后进行本发明的高能表面机械加工，则不仅可以实现金属件的表面纳米化，而且可以：a.起到与传统的锤击或喷丸处理类似的效果——表面强化和释放残余应力，从而提高金属件的疲劳抗力和尺寸稳定性；b.取得表面光洁处理效果，显著提高金属件的表面光洁度。

(5)如果在后续化学热处理之前进行本发明的高能表面机械加工，由于表面附近区域高体积分数的空位、位错和晶界等晶体缺陷加大了扩散系数和反应活性，并使化学处理(如渗氮)的效率提高、温度和保温时间大幅度降低，可以节能并有助于提高工件的尺寸稳定性。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明工艺原理示意图；

图2为实施例1表面纳米化金属件的X射线衍射结果(其中曲线1对应原始态，曲线2对应基体与表面纳米层过渡区，曲线3对应表面纳米层)；

图3为实施例2表面纳米化金属件的X射线衍射结果(其中曲线1对应原始态，曲线2对应基体与表面纳米层过渡区，曲线3对应表面纳米层)；

图4为实施例4表面纳米化金属件的X射线衍射结果(其中曲线1对应原始态，曲线2对应表面纳米层)；

图5为实施例4表面纳米化金属件的X射线衍射放大图(其中曲线1对应原始态，曲线2对应表面纳米层)；

图6为实施例6表面纳米化金属件的X射线衍射结果(其中曲线1对应原始态，曲线2对应基体与表面纳米层过渡区，曲线3对应表面纳米层)；

图7为实施例6表面纳米化金属件的X射线衍射放大图(其中曲线1对应原始态，曲线2对应基体与表面纳米层过渡区，曲线3对应表面纳米层)；

(五)具体实施方式

一种超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。

参见图1，其中R为超声波换能器球形冲头的曲率半径，x为相邻两个冲击凹坑的间距，2H为冲头的振幅。假定冲头的振动频率为f，则冲头平行和垂直于金属件表面方向的平均运动速度(切向速度和法向速度)分别为v_x＝fx和v_H＝2fH。假定单次冲击后金属件表面形成的凹坑半径为r，经过连续的冲击处理后金属件表面上的凸台高度为h(反映粗糙度或光洁度水平)。如果假设冲头的原始位置与金属件待处理表面的距离为0，显然：

$r=\sqrt{H(2R-H)}$

$h=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{v_x}{2f}\right)}^2}$ 或 $v_x=2f\sqrt{h(2R-h)}$

此外，考虑到金属弹性恢复，实际粗糙度Ra将数倍于上式计算的h值。

为了便于工艺设计，我们定义了一个新的“描述两个相邻凹坑相对重叠程度”的参数——相对重叠度L：

$L=\frac{2r-\mathrm{\&lambda;}}{2r}\&times;100\%$

其中λ为两个相邻凹坑的间距。L是有方向性的，对于示意图1，X方向的相对重叠度记为L_X，且λ＝x：。当λ＝x＝0时，L_x＝100％，两个相邻凹坑完全重叠；当λ＝x＝2r时，L_x＝0，两个相邻凹坑刚好相切。

以上R、f、H、v_x和L就是本发明所要控制和优化的工艺参数。通常，为了取得表面纳米化效果，需要满足如下三个条件：一是每次冲击都不能超过材料的破裂强度以避免形成微裂纹，二是每次冲击都要超过材料的屈服强度从而造成局部强烈塑性变形并通过多次重复冲击累积足够高的塑性变形量，三是每次冲击都必须有足够高的速度以确保足够高的应变速率。对于金属材料，经过实验优化：

(1)冲头的冲击(振动)功率选择或控制在10-500W之间，最好在50-200W之间，以确保能够产生足够的塑性变形。

(2)冲头的冲击(振动)频率f选择或控制在20-30kHz之间，最好20-25kHz之间，以确保足够高的应变速率。

(3)冲头的振幅H选择或控制在2-30μm之间，最好在5-20μm之间，以确保适当的冲击力(发生屈服，但不破裂)以及足够的纳米化深度。

(4)球形冲头的曲率半径R在1-5mm之间选择，以确保能够产生塑性变形、足够的纳米化深度、较高的处理效率和表面光洁度。

(5)为了确保冲击凹坑的连续，要求0≤x≤2r，即冲头移动的线速度要满足0≤v_x≤2fr。通常，v_x应该控制在10-100mm/min之间，最好在20-70mm/min之间。

(6)表面纳米化处理的关键控制参数之一是相对重叠度L。L过大，对单位面积进行高能表面机械加工所需的时间过长，效率降低；L过小，局部累积塑性变形量不够，无法取得纳米化效果；如果L控制恰当，可以取得重复冲击的效果，相当于多次反复塑性变形的快速累积，这对于细化晶粒乃至有效实现纳米化至关重要。此外，为了在表面上取得均匀的纳米化效果，各个方向的相对重叠度L必须尽可能相等或一致。

依据经过实验优化的频率f(20-30kHz)、振幅H(2-30μm)、曲率半径R(1-5mm)和线速度v_x(10-100mm/min)计算出凹坑半径r、两个相邻凹坑的间距λ，最后计算出相对重叠度L值在99.934％-99.99949％之间，以实现局部强烈塑性变形的累积。

对于金属件平面的表面纳米化处理，使X和Y两个方向相对重叠度相等，即L_x＝L_Y的充要条件是λ_x＝λ_Y，因此只要协调控制v_x＝v_Y即可。

对于金属件圆柱曲面的表面纳米化处理，使轴向X和周向(切向)t二者的相对重叠度相等，即L_x＝L_t的充要条件是λ_x＝λ_t。在这种情况下，参数的选择与旋转件的直径D、转速n以及冲头沿着旋转件轴向X的移动速度v_x有关。因为 ${\mathrm{\&lambda;}}_X=\frac{v_X}{n},$ ${\mathrm{\&lambda;}}_t=\frac{\mathrm{n\&pi;D}}{60f},$ 所以

$v_X=\frac{n^2\mathrm{\&pi;D}}{60f},$ 或 $n=\sqrt{\frac{60f{v}_X}{\mathrm{\&pi;D}}}$

或者

$l_X=\frac{\mathrm{n\&pi;D}}{60f},$ 或 $n=\frac{60f{l}_X}{\mathrm{\&pi;D}}$

其中l_x为冲头沿着轴向每转的进给量或移动距离(l_x＝λ_x＝v_x/n)；l_x、v_x、n、D和f的单位分别是mm/r、mm/min、r/min、mm和Hz。可见，在冲头冲击(振动)频率f和移动速度v_x或轴向进给量l_x一定的条件下，轴越细(D越小)转速应该越快，反之亦相反。

实施例1：铝合金板，待处理的表面为一矩形平面。

铝合金板经过常规的机械加工后，固定在台架上静止不动。超声波高能表面机械加工装置为外购件(以下同)。该装置的超声波换能器安装在机械手上，换能器的球形冲头与待处理的表面垂直并做二维往复直线运动，直到全部待处理的表面被处理一遍。具体工艺参数列于表1。

通过X射线测定(图2)和谢勒方程(Scherrer-Wilson方程)[X-rayDiffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials，2ndEd.，New York：Wiley，(1974)662]计算，表面纳米化处理后表面层(约5μm深)的平均晶粒尺寸也列于表1，纳米化层的深度在10μm左右。

实施例2：Φ300mm的铝合金盘，待处理的表面为盘表面(平面)。

铝合金盘经过常规的机械加工后，水平固定在台架上静止不动。超声波高能表面机械加工装置的换能器固定在机械手上，球形冲头与待处理的表面垂直并做往复直线运动，直到全部待处理的表面被重复处理2遍。具体工艺参数列于表1，其中第一遍和第二遍处理时冲头的振幅分别控制在25～30μm之间和5～10μm之间，机械手的移动线速度分别在70～90mm/min之间和40～50mm/min之间。

通过X射线测定(图3)和Scherrer-Wilson方程计算，表面纳米化处理后表面层(约5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1，纳米化层的深度在30μm左右。

实施例3：直径Φ25mm的40Cr钢轴，待处理的表面为轴的圆柱曲面。

40Cr钢轴件经过调质处理(淬火+高温回火)和常规的机械加工后，夹持在高速回转装置上做旋转运动。超声波高能表面机械加工装置的换能器固定在机械手上，冲头与待处理的圆柱曲面正交并沿轴线做直线运动，直到全部待处理的表面被处理1遍。具体工艺参数及表面纳米化处理后表面层的平均晶粒尺寸均列于表1。

实施例4：直径Φ50mm的GCr15钢轴，待处理的表面为轴的圆柱曲面。

GCr15钢轴件经过球化退火、淬火和低温回火以及车削加工后，夹持在机床的卡盘与尾架的顶尖之间做旋转运动。超声波高能表面机械加工装置的换能器固定在机械手上，冲头与待处理的圆柱曲面正交并沿轴线做直线运动，直到全部待处理的表面被处理1遍。具体工艺参数列于表1。

通过X射线测定(图6)和Scherrer-Wilson方程计算，表面纳米化处理后表面层(约5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1。特别值得注意的是，经过表面纳米化处理后，调质态Gr15钢中的渗碳体第二相极度细化甚至发生部分溶解，在X射线衍射谱上表面的渗碳体峰(图7中箭头所指)明显变弱。这种情况在共析钢丝的强烈拉拔中曾经遇到[Acta Mater，45(1997)1201-1212]，可以认为是强烈塑性变形导致了渗碳体细化至纳米级，甚至部分溶解。渗碳体第二相极度细化甚至部分溶解对改善表面纳米层的热稳定性以及抗裂和抗疲劳性能应该是有利的，同时，对硬度和耐磨性能没有不利影响。利用纳米压痕仪测定的表面纳米层硬度达到12GPa，是基体(3.7GPa)的3倍多。

实施例5：Φ120mm的40Cr钢轴，待处理的表面为轴的圆柱曲面。

40Cr钢轴件经过调质处理(淬火+高温回火)和常规的机械加工后，夹持在机床的卡盘与尾架的顶尖之间做旋转运动。超声波高能表面机械加工装置的换能器和冲头固定在机床刀架上、与待处理的圆柱曲面正交并沿轴线做直线运动，直到全部待处理的表面被重复处理1遍。具体工艺参数及表面纳米化处理后表面层的平均晶粒尺寸均列于表1。

实施例6：Φ200mm的40Cr钢轴，待处理的表面为轴的圆柱曲面。

经过调质处理和常规的机械加工的40Cr钢轴件以及超声波高能表面机械加工装置的换能器在机床上的安装方式与实施例5相同，但表面纳米化处理重复做2遍。具体工艺参数列于表1，其中第一遍和第二遍处理时冲头的振幅分别控制在15～20μm之间和10～15μm，刀架(冲头)沿轴向的进给量分别为0.1mm/r之间和0.2mm/r之间。

通过X射线测定(图4)和Scherrer-Wilson方程计算，表面纳米化处理后表面层(约5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1，纳米化层的深度在70μm左右。特别值得注意的是，经过表面纳米化处理后，调质态40Cr钢中的渗碳体第二相极度细化甚至完全溶解，在X射线衍射谱上表面及过渡区的渗碳体峰(图5中箭头所指)几乎消失。这对改善表面纳米层的抗裂以及抗疲劳性能应该是有利的，同时，对硬度和耐磨性能没有不利影响。利用纳米压痕仪测定的表面纳米层硬度达到8.0GPa，是基体(2.7GPa)的近3倍。

实施例7：Φ800mm的GCr15钢辊，待处理的表面为辊的一段圆柱曲面。

GCr15钢辊件两端带台肩的细的轴节，两端较细的轴节夹持在机床的卡盘与尾架的顶尖之间做旋转运动，辊件中部采用托架支撑。超声波高能表面机械加工装置的换能器在机床上的安装方式与实施例5相同，表面纳米化处理1遍。具体工艺参数及表面纳米化处理后表面层的平均晶粒尺寸均列于表1。

Claims (3)

1.一种超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度；

冲头的冲击功率为10-500W、振动频率f为20-30kHz、振幅H为2-30μm、球形冲头的曲率半径R为1-5mm，冲头相对于金属件表面移动的线速度v_x为10-100mm/min；冲头相对于金属件表面移动的线速度v_x确保相邻两个冲击凹坑之间有足够高的相对重叠度L， $L=\frac{2r-\mathrm{\&lambda;}}{2r}\&times;100\%;$

其中：r为单次冲击后形成的凹坑半径， $r=\sqrt{H(2R-H)};$

λ为两个相邻凹坑的间距，λ＝v_x/f；

即确保相对重叠度L在99.934％-99.99949％之间，以实现局部强烈塑性变形的累积。

2.根据权利要求1所述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，其特征是沿金属件表面各个方向上冲击凹坑的相对重叠度L相等。

3.根据权利要求1所述的超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法，其特征是对于金属件二维平面的表面纳米化处理，控制冲头相对于X和Y两个方向移动的线速度相等，使X和Y两个方向的相对重叠度相等。

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