CN101660033A

CN101660033A - 金属辊件表面组织纳米重构方法

Info

Publication number: CN101660033A
Application number: CN200810042126A
Authority: CN
Inventors: 梁永立; 张俊宝; 张宇军; 宋洪伟
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: CN101660033B

Abstract

金属辊件表面组织纳米重构方法，其包括如下步骤：1)采用感应线圈加热高硬度金属辊件基体表面，辊件温度0.2－0.5T_m℃之间，T_m为辊材料熔点；2)使用高压气体，经过喷嘴将粒径40－500微米之间的硬质金属微粒加速至超音速，形成超音速气固双相流，对辊件表面进行轰击，对其表层材料进行微锻变形，进行轰击，使其表层发生强烈局部塑性变形，从而晶粒细化至纳米量级；3)采用高速气流对辊件表面进行快速冷却，冷却速度为50－200℃/s，冷却气体选用惰性或还原性气体。本发明实现高硬度辊类工件的表面纳米强化，获得理想的表面纳米晶层和超细晶层，并且可以对所处理辊类工件的组织进行在线调整，保证组织稳定性。

Description

金属辊件表面组织纳米重构方法

技术领域

本发明涉及一种辊类工件的表面纳米强化技术，尤其涉及一种金属辊件表面组织纳米重构方法。

背景技术

各种辊类工件是钢铁冶金工具和装备的关键部件，对设备稳定和钢材质量有着的决定性的作用，但是辊类工具的磨损非常严重，部分辊件的更换周期非常短，影响机组的有效工作时间，增加了生产的成本。基于辊件工具工作的特点，材料的失效大多发生在表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对表面结构和性能非常敏感，因此，提高辊件材料表面强度、硬度和耐磨性是延长辊件寿命的有效方法。

材料的失效大多发生在材料表面，因此改变材料表面的组织结构提高材料表面的综合性能指标，一直是世界各国材料工程技术人员潜心研究的重要课题之一。传统的表面改性技术，包括表面淬火、表面(火焰加热及感应加热的表面淬火)、化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铝、渗铬以及离子束表面改性等)、电子束表面改性(电子束表面淬火、表面晶粒细化、表面合金化、表面涂覆和非晶化等)。这些方法在工艺上存在一些众所周知的缺点和使用上局限性，并且都只能通过改变表面层的成分、组织、形态和非晶化的方法提高工件的表面的耐磨损性硬度等综合性能，而不能通过在工件表面层获得复合纳米晶粒来提高工件表面的综合性能。

纳米晶体材料是现代科学发展起来的新型材料。所谓纳米晶体是由至少在一维方向上小于100nm的超细晶晶粒组成的单相或多相晶体材料。目前，试图将金属材料表面层晶粒细化至纳米晶粒尺寸的方法有以下几种：

(1)表面涂层或沉积技术，如PVP、CVD溅射镀膜，电镀等方法在基体材料表面生成一层纳米层，该方法涂层与基体，涂层粒子之间的结合力薄弱，容易引起表面层剥离或脱落，同时因表面层与基体化学组成不同，会造成表面层与基体之间的成分和性能的突变。另外设备投资较大，工艺控制难度大，生产成本较高。

(2)表面强烈塑性变形技术，包括锤击、表面轧制、机械研磨等，其目的为实现材料表面晶粒超细化到纳米级水平。其中“落锤法冲击载荷应变诱导在高锰钢表面层获得一层纳米晶表面层”(《金属学报》2001，37(2)：165-170)。“表面轧制可实现表面晶粒细化到纳米尺度”(《JPhysics》，IV，1993，3：1817)。“机械球磨应用于低碳钢颗粒表面实现纳米化”(《金属学报》，2002，38(2)：157-160，J.Mater.Res.1996，11：2677)。

(3)表面喷丸技术，包括如下几种具有代表性工艺技术方法：

(a)中国专利公告号CN2400456和CN1301873，采用工件定位机构和一个具有偏心轮的丸粒发射机构，通过偏心轮转动产生的震动发射刚性丸粒(直径0.1～12mm的钢球)，对材料表面进行多个方向的撞击(丸粒撞击材料表面的频率为10HZ-50KHZ，处理时间1秒～20小时)，使金属材料的表面产生快速强烈塑性变性而形成一定厚度的纳米组织结构。

(b)中国专利公告号CN1336321(FR2812284、WO0210463、AU8408701)提供一种在密闭空间里，放置大量的球状弹丸(如钢球)，通过超声波发生器使弹丸产生3～100m/s的速度，以可变的入射角进行振动运动，在金属零件上形成纳米结构表层。

(c)中国专利公告号CN1336444(FR2812286、WO0210461、AU8224001)和中国专利公告号CN1336445(FR2812285、WO0210462、AU8224101)改进了以上专利的方法(CN2400456、CN1301873、CN1336321)，以压缩空气为动力，在同一撞击点不同的入射角循环喷射完全球状弹丸方法，使材料表面产生随机的强烈塑性变形，并通过喷口的移动，造成材料整体表面层的晶粒细化，同时在表面喷射处理中，对金属零件进行加热处理，加热温度控制在使金属晶粒长大的温度以下。以上专利所提供的这些方法，已经实现了铜、纯铁、低碳钢和奥氏体不锈钢的表面纳米化。

(d)中国专利公告号CN.1410560提供了一种超声速硬质微粒轰击金属材料使表面纳米化的方法，该方法特征在于：采用压缩空气携带硬质微粒，在室温下通过超声速喷嘴喷射于金属材料表面，在金属材料的表面形成纳米晶表面层。但由于轰击在室温下进行，未涉及被处理金属材料的成分及预处理微观组织状态对轰击条件的要求，因而在处理中、高碳钢或低、中合金钢材料的旋转件时，表面容易产生损伤，并在表面层以下产生较大的残余应力，影响其使用性能。

综上所述，现有的表面涂层或沉积、表面强烈塑性变形技术(锤击、表面轧制、机械研磨)、各种表面喷丸技术等实现金属材料表面纳米化的方法除了各自存在的缺点及不足之处外，所述的这些方法仅适用于硬度较低的辊件，而对于高硬度辊件由于其变形困难往往得不到理想的纳米晶层，容易造成表面损伤、表面层剥落等，难以实现工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属辊件表面组织纳米重构方法，实现高硬度辊类工件的表面纳米强化，获得理想的表面纳米晶层和超细晶层，并且可以对所处理辊类工件的组织进行在线调整，保证组织稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

采用高频或超高频感应线圈加热高硬度辊件基体表面，降低其表面层材料的变形抗力，同时不影响深层材料的组织和性能；利用高压压缩气体携带硬质金属微粒经喷嘴形成超音速气固双相流轰击辊件表面，对辊件表面层材料进行微锻处理，使其表层发生强烈局部塑性变形，从而晶粒细化至纳米量级；采用高压气体对已处理辊表面进行快速冷却，避免表面层材料的组织变化和晶粒长大。

本发明将辊件基体调整在合适的状态进行表面纳米强化处理，降低辊件表面材料的变形抗力，提高表面纳米晶层和超细晶层的厚度，优化表面纳米化效果。

具体地，本发明金属辊件表面组织纳米重构方法，其包括如下步骤：

1)采用感应线圈加热高硬度金属辊件基体表面，辊件温度控制在0.2-0.5T_m℃之间，T_m为辊材料熔点；

2)使用气体压力0.5-4.5Mpa的高压气体，经过喷嘴将平均粒径40-500微米之间的硬质金属微粒加速至超音速，形成超音速气固双相流，对辊件表面进行轰击，对其表层材料进行微锻变形，进行一道次轰击或多道次轰击，使其表层发生强烈局部塑性变形，从而晶粒细化至纳米量级；

3)采用高速气流对辊件表面进行快速冷却，冷却速度为50-200℃/s，冷却气体选用惰性或还原性气体，以防止氧化，轰击与冷却的时间间隔为1-20s。

其中，所述的喷嘴采用拉瓦尔喷嘴。

又，感应加热频率为200千赫-270兆赫。

辊件表面加热层厚度为0.15mm-2mm。

感应线圈与辊件相对移动速度范围为0.1-50mm/s，优选为0.5-10mm/s。

高压气体为压缩空气、氮气、氦气、氩气、氢气或其混合气体。

另外，本发明所处理的辊件基体表面硬度范围为HV450-HV750，表面平均粗糙度范围为Ra 0.1-Ra 0.8。

轰击所使用颗粒材料硬度为基体材料的1-5倍，颗粒为球形，粒径范围为40-500微米，优选粒径范围为40-100微米。

辊件表面颗粒轰击密度范围为100-50000个/mm²，优选为2000-6000个/mm²。

再有，本发明在轰击过程中需对气体进行预热，预热温度为0.25-0.5T_m，可以保证处理过程中辊件温度的均匀性。

本发明的有益效果：

1、利用200千赫-270兆赫高频或超高频感应加热待处理金属辊件表面，可以在不影响其内部组织和性能的情况下，消除或减小材料表面0.15-2mm范围内的表面变形抗力；

2、利用一定预热温度的高压气体携带硬质微粒经特殊拉瓦尔喷嘴加至超音速后轰击辊件表面，其表面材料发生强烈塑性变形从而使得距表面0-200微米深度范围内晶粒细化至纳米和亚微米量级；

3、利用高速气流冷却其表面，可以使表面已形成的纳米晶粒更加稳定，同时起到表面淬火作用。

经上述方法制备的辊件可在距表面0-200微米范围内形成纳米晶和超细晶层，从表到里为超细晶粒连续梯度组织，晶粒尺寸从纳米级连续过渡到微米级，辊件表面综合硬度及耐磨性大幅提高。

附图说明

图1为本发明高硬度辊件表面纳米化处理的示意图。

图2为本发明酸洗拉矫辊表面纳米强化后表面形貌的SEM照片。

图3为本发明酸洗拉矫辊表面纳米强化后截面过渡区组织SEM照片。

图4为本发明表面纳米强化拉矫辊从表到里硬度变化规律示意图。

图5为本发明表面纳米强化后冷轧试验机轧辊表面层TEM组织及衍射环照片。

具体实施方式

参见图1，其所示为本发明高硬度辊件表面纳米化处理的示意图。辊件3装卡在旋转装置上以1rpm-450rpm的速度旋转；在对辊件进行超音速微粒轰击表面纳米化之前由加热线圈1首先将辊件基体加热到一定温度，然后喷嘴4喷出的超音速微粒5对辊件表面进行轰击处理，可以一道次处理，也可以重复处理，直至获得理想的表面纳米晶层和超细晶层。辅助加热线圈2起到稳定辊件温度的作用，也可以在避免纳米晶长大的温度范围内调节辊件的温度，然后使用喷枪6采用高速气流对辊件表面进行快速冷却处理，起到稳定细晶组织和对辊件表面材料淬火的作用。

本发明通过调节加热线圈1与辅助加热线圈2和冷却喷枪6的位置，对辊件进行往返重复处理。

实施例1

酸洗拉矫辊表面纳米强化处理，原始辊材料为100Cr6钢，表面淬火处理，淬硬层维氏硬度值为480HV，表面磨光，粗糙度为Ra0.45。处理工艺：感应线圈与辊件相对移动速度2mm/s，感应线圈加热频率为的300kHZ，加热后辊件表面温度558℃，轰击使用平均粒径为40μm的α-Al₂O₃微粒，工作气体预热温度为350℃，工作气体压力为2MPa，喷射距离30mm，颗粒轰击密度2000-2600个/mm²。表面纳米化处理后辊件表面形貌如图2所示，根据图2可知其表面为亚光的粗糙面，表面粗糙度为Ra0.8；表层由外到内为梯度过渡组织，如图3所示；距离表面10μm的深度范围内硬度的变化规律如图4所示，可以看出材料性能由表到里呈梯度变化趋势。

实施例2

酸洗拉矫辊表面纳米强化处理，原始辊材料为100Cr6钢，表面淬火处理，淬硬层维氏硬度值为550HV，表面磨光，粗糙度为Ra0.3。处理工艺：感应线圈与辊件相对移动速度1.5mm/s，感应线圈加热频率为300kHZ，加热后辊件表面温度688℃，轰击使用平均粒径为30μm的α-Al₂O₃微粒，工作气体预热温度为100℃，工作气体压力为1.5MPa，喷射距离35mm，颗粒轰击密度1300-1500个/mm²。处理后拉矫辊表面粗糙度为Ra0.7，表面层硬度较基体提高40％以上。

实施例3

酸洗拉矫机支承辊表面纳米强化处理，原始辊材料为50CrMo4V钢，淬硬层维氏硬度值为500HV，表面粗糙度Ra0.35。处理工艺：感应线圈与辊件相对移动速度1.8mm/s，感应线圈加热频率为300kHZ，加热后辊件表面温度620℃，轰击使用平均粒径为35μm的α-Al₂O₃微粒，工作气体预热温度为200℃，工作气体压力为2MPa，喷射距离40mm，颗粒轰击密度1300-1500个/mm²。处理后拉矫辊表面粗糙度为Ra0.7，表面层硬度较基体提高50％以上。

实施例4

冷轧试验机轧辊表面纳米强化处理，原始辊材料为40Cr钢，表面淬硬层维氏硬度值为490HV。处理工艺：感应线圈与辊件相对移动速度2mm/s，感应线圈加热频率为300kHZ，加热后辊件表面温度490℃，轰击使用平均粒径为30μm的α-Al₂O₃微粒，工作气体预热温度为400℃，工作气体压力为3MPa，喷射距离35mm，颗粒轰击密度2600-2800个/mm²，处理后辊表面粗糙度为Ra1.2，表面层硬度较基体提高60％以上；其表面纳米晶层TEM暗场像组织及衍射环如图5所示，由此可见轧辊表面晶粒已细化至100nm以下。

实施例5

高硬度钛合金棒材表面纳米强化处理，原始材料表面淬硬层维氏硬度值为490HV。处理工艺：感应线圈与辊件相对移动速度2.5mm/s，感应线圈加热频率为300kHZ，加热后辊件表面温度490℃，轰击使用平均粒径为35μm的α-Al₂O₃微粒，工作气体预热温度为400℃，工作气体压力为2.5MPa，喷射距离35mm，颗粒轰击密度2000-2200个/mm²。处理后拉矫辊表面粗糙度为Ra1.2，表面层硬度较基体提高30％以上。

Claims

1.金属辊件表面组织纳米重构方法，其包括如下步骤：

2)使用气体压力0.5-4.5Mpa的高压气体，经过喷嘴将粒径40-500微米之间的硬质金属微粒加速至超音速，形成超音速气固双相流，对辊件表面进行轰击，对其表层材料进行微锻变形，进行一道次轰击或多道次轰击，使其表层发生强烈局部塑性变形，从而晶粒细化至纳米量级；

3)采用高速气流对辊件表面进行快速冷却，冷却速度为50-200℃/s，冷却气体选用惰性或还原性气体。

2.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，所述的喷嘴采用拉瓦尔喷嘴。

3.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，感应加热频率为200千赫-270兆赫。

4.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，辊件表面加热层厚度为0.15mm-2mm。

5.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，感应线圈与辊件相对移动速度范围为0.1-50mm/s，优选为0.5-10mm/s。

6.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，高压气体为压缩空气、氮气、氦气、氩气、氢气或其混合气体。

7.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，所处理的辊件基体表面硬度范围为HV450-HV750，表面平均粗糙度范围为Ra 0.1-Ra 0.8。

8.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，轰击所使用颗粒材料硬度为基体材料的1-5倍，颗粒为球形，粒径范围为40-500微米，优选粒径范围为40-100微米。

9.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，辊件表面颗粒轰击密度范围为100-50000个/mm²，优选为2000-6000个/mm²。

10.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，轰击过程中对气体进行预热，预热温度为0.25-0.5T_m。

11.如权利要求1所述的金属辊件表面组织纳米重构方法，其特征是，轰击与冷却的时间间隔范围为1-20s。