CN107587086A - 一种金属材料表面纳米化改性及纳米‑微米梯度结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属材料表面纳米化改性及纳米‑微米梯度结构的制备方法：采用热作模具钢制作成半球形工具头，抛光工具头的半球表面，在Mg合金板表面进行多层多道次的小应变压入机械旋转研磨，旋转速度110～130rpm、半球形工具头预设的压入深度：每道次50μm，进给速度10～30mm min^‑1；每一道次都使用润滑油以减小摩擦和降低温度，本发明处理效率高，在常温下即可实现金属材料表面纳米化改性，得到梯度结构的表层及细晶粒的表面，可以优化金属材料表面结构和性能，进而提高金属材料的整体性能。

Description

一种金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备方法，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

为了通过金属表面纳米化改性以提高材料的整体性能，需要优化金属材料表面结构和性能，这已经成为了纳米材料及纳米化技术重要的研究分支。Mg合金具有低密度和高比强度刚度的性能，被誉为21世纪的“绿色结构材料”。参考文献1、2中指出镁合金力学性能低是阻碍其发展和应用的主要瓶颈之一，在众多提高镁合金力学性能的手段中，通过变形细化晶粒是一个重要的发展方向；很多材料失效的案例表明很多材料的失稳始于其表面，鉴于纳米材料独特的性能，可以发展具有优异表面质量和高效的处理方法，以优化其表面性能和环境服役行为。多年的研究发展，在材料表面获得纳米层有三种较为成熟的方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化法。

塑性压应变诱导的金属表面晶粒细化是一个众所周知的现象。到目前为止，基于大塑性应变变形细化金属材料晶粒以提高其表面和内部机械性能的工艺方法很多。参考文献3-7中报道的表面机械研磨处理(SMAT)，以及李伟等人发明专利CN102560508A公开的“利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法”，利用纳米材料的高扩散性，采用SMAT技术对金属材料处理提高其表面性能，该方法处理时间较长，且处理温度高。参考文献

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发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备方法，简称为表面机械滚压研磨处理(SMRGT)方法。该方法可以在常温下实现在金属材料表面制备出纳米晶层，提高金属材料表层硬度，拓宽了金属材料的使用范围。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

采用工具头对金属材料表面进行多层多道次的小应变压入下的机械旋转研磨，利用逐层累积的小应变使金属材料组织中的晶粒自工具头压入侧表面向内部逐渐细化为纳米量级，从而在金属材料表层形成纳米-微米梯度晶粒结构。

所述金属材料选自Mg合金；工具头为直径8～12mm的半球形，采用模具钢制作，工具头的小应变压入的深度为每道次40～60μm。

所述工具头的表面粗糙度≤0.16；工具头的旋转速度为110～130rpm，进给速度为10～30mm min^-1。

在所述机械旋转研磨中，工具头与金属材料之间涂敷有润滑油。

所述机械旋转研磨在常温下进行。

上述金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备方法，具体包括以下步骤：

1)对工具头和Mg合金进行表面抛光处理；

2)经过步骤1)后，在大气环境下，利用工具头对Mg合金进行n层m道次的小应变压入下的机械旋转研磨；

3)经过步骤2)后，对所述Mg合金进行表面超声清洗。

所述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将Mg合金固定在工作台上；

2.2)用工具头对Mg合金进行多道次小应变压入，并在每次压入Mg合金后进行对应道次的机械旋转研磨，待各道次的机械旋转研磨完成后，进行下一层各道次小应变压入下的机械旋转研磨，并使小应变逐层累积成大应变。

其中，1<n≤8，1<m。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述方法采用多层多道次的小应变压入机械旋转研磨处理，累积的塑性应变诱发纳米化改性的主因，即挛晶变形，以及辅因，即位错堆积，使金属材料组织中的晶粒逐渐细化到纳米量级，得到梯度结构的表层及细晶粒的表面。本发明所述方法不需要特殊的工艺设备，在常温条件下即可完成生产，优化金属材料表面结构和性能，进而提高金属材料的整体性能，处理效率高，有利于产品的推广和应用，可应用于对常用的工程材料进行表面纳米化处理。

进一步的，所述表面抛光处理可以去除表面氧化膜以及油污，同时减少摩擦，提高表面纳米化质量。

附图说明

图1为实验装置及机械滚压研磨处理示意图：1为工具头，2为Mg合金板。

图2为经过表面机械滚压研磨处理后试样典型的横截面梯度纳米-微米微观组织SEM图：(a)4层；(b)6层。

图3为经过6层多道次处理后横截面晶粒形貌光镜图和典型表面纳米层组织TEM图：(a)横截面晶粒形貌；(b)碎化组织；(c)变形孪晶。

图4为梯度纳米-微米表面到内部硬度变化实测值(VS.母材硬度曲线)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是基于对普通搅拌摩擦焊装置的工具头进行改造，发展出一种新颖的表面机械滚压研磨处理(SMRGT)方法，是一种金属材料表面纳米化改性的方法：通过在金属材料表层进行多层机械滚压研磨制备表面纳米晶，以实现金属材料表面改性的表面自身纳米化，其中每一层机械滚压研磨按照工具头作用面积以及需要表面处理的金属材料表面积，通过工具头的多道次机械滚压研磨分步完成。

工具头设计及Mg合金表面纳米化改性过程如下(图1)：

(一)半球形工具头的设计与制作：

半球形工具头1选择强度较高的模具钢，直径8～12mm，抛光该工具头的半球表面，使粗糙度达到0.16，尽可能的降低表面粗糙度，以减少工具头压入后引起的大块金属剥落。在Mg合金板2表面进行多层多道次的小应变压入机械旋转研磨时，半球形工具头旋转速度的选择：每次以小面积接触，涂上润滑油，维持变形温度在常温附近，优选110～130rpm，可以使表面成形光滑；半球形工具头预设的小应变压入深度：每道次40～60μm；半球形工具头进给速度的选择：在相同转速下尝试多种进给速度，10～30mm min^-1可以使表面成型光滑；半球形工具头倾角选择：压应变以垂直方向压入，可减少因作用面积增大产生的毛刺和产生的热量，故工具头倾角为0。

在相同的工艺参数下，半球形工具头的滚动研磨层数通过尝试不同的层数并根据实际金属材料表面纳米化的结果确定，通常采用的重复次数(即层数)为2、4、6、8次。在每一层中相邻道次间部分重叠，使金属材料表面在不同道次小应变压入机械旋转研磨后具有平整的外观。在每一道次滚动研磨前，涂润滑油于半球形工具头上，以减小摩擦和降低温度，利用半球形工具头多层多道次的小应变压入机械旋转研磨以及润滑油的辅助降温作用，所述的表面机械滚压研磨处理(SMRGT)在常温下即可进行。

以上所述热作模具钢(4Cr5MoSiV1)，在满足对待纳米化改性金属材料表面实现小应变压入以及不改变待纳米化改性金属材料表面组分构成的情况下，可以替换为其他诸如：高速钢、WC-Co等材料。

以上所述Mg合金，可以替换为诸如，Cu、Al及Al合金、Ti等。

本发明所述方法制备所得的金属样品中纳米层厚度为10～100μm。

(二)试验材料及其准备：

试验所用材料为AZ31B镁合金板。机械研磨处理前，需要对AZ31B镁合金板表面进行抛光处理，使用240#、600#、1200#、2000#水磨砂纸细磨，使母材(镁合金板)表面平整划痕少，最后在丙酮(或酒精)中进行10min的超声清洗以除去油污，冷风吹干，放在标记过的试样袋中备用。

最终，针对AZ31B镁合金板的表面纳米化改性，确定工具头制作和优化参数为：半球形工具头直径R＝10mm；旋转速度118rpm；半球形工具头预设的压入深度：每道次50μm；进给速度23.4mm min^-1；工具头倾角为0。

(三)半球形工具头制造：

选材：选择热作模具钢(4Cr5MoSiV1)作为工具头制作材料，将半球形工具头的半球表面抛光，粗糙度降到0.16以下，放置备用。

(四)表面机械滚压研磨处理(对Mg合金板部分表面进行处理，每一层压30道次)：

第一步、设备安装：将准备好的半球形工具头安装在铣床上，将Mg合金板固定装卡在工作台上。

第二步、表面机械滚压研磨处理：按照优选出来的处理参数，在Mg合金板表面进行多层多道次的小应变压入机械旋转研磨，半球形工具头按压入深度压入，旋转的同时做进给运动(研磨方向)。相同工艺参数分别重复2、4、6、8次，每一道次小应变压入机械旋转研磨前都在半球形工具头上涂润滑油以减小摩擦和降低温度。在每一层中每道次相互重叠一半宽度(～0.5mm)。每层30道次小应变压入机械旋转研磨结束后，进行表面超声清洗，去除表面润滑油和金属碎屑。

(五)表面纳米化处理条件：

试验在常温下进行，镁合金板水平固定在工作台上，半球形工具头旋转速度118rpm；半球形工具头预设的压入深度：每道次50μm；进给速度23.4mm min^-1；工具头倾角为0。

(六)试验结果：

(1)表面机械滚压研磨处理4、6层的微观组织如图2所示，可以观察到：随着小应变压入表面机械旋转研磨层数的增加，晶粒细化厚度范围增加：从4层(～50μm)到6层(～100μm)。

(2)经过6层表面机械滚压研磨处理的试样，如图2所示，从横截面上看呈纳米-微米梯度结构分布，大致可以分为三个区域：Ⅰ、最表面(～100μm)的细晶区(超细晶)，晶界呈模糊状态；Ⅱ、应变严重影响区域(100～1500μm)，晶粒受到不同程度的变形影响；Ⅲ、影响较小的区域(>1500μm)，晶粒变化小，逐渐接近母材粗晶。

(3)微观组织：图3a为经过表面机械滚压研磨处理光镜照片，观察到了变形孪晶；图3b、3c为表面细晶区层放大的微观组织，从图3b中可以观察到～100nm大小的碎化组织，表明晶粒已经细化到纳米尺度；从图3c中可以观察到孪晶交割，表明小应变多层多道次压入的情况下，孪晶变形是晶粒细化的主要变形机制。

(4)微观硬度(表层微观硬度提高)：图4为经过6层处理的横截面梯度结构的微观硬度与原始母材微观硬度的比较，从图4中可以看出梯度分布的微观硬度，对应细晶区、严重影响区、影响较小的区域；但均高于母材微观硬度，经处理后的细晶区平均硬度(HV113)较母材原始平均硬度(HV66.1)提高50％以上。

本发明所述金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备方法，其优点如下：(1)所需设备和工具改造简单，半球形工具头可重复使用；(2)经济、耗能小，绿色环保、无污染；(3)所有过程均在常温下进行；(4)控制步骤少，方便操作；(5)控制参数少：应变(压入深度)、旋转速度、旋转倾角和进给速度；(6)通过多层多道次小应变的积累，金属材料(Mg合金板)表面晶粒明显细化；(7)表面粗糙度低；(8)梯度结构的表层为研究纳米材料相关性能和力学行为的热点科学问题提供了理想样品。

Claims (8)

1.一种金属材料表面纳米化改性及纳米-微米梯度结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

采用工具头对金属材料进行多层多道次的小应变压入下的机械旋转研磨，利用逐层累积的小应变使金属材料组织中的晶粒自工具头压入侧表面向内部逐渐细化为纳米量级，从而形成纳米-微米梯度晶粒结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属材料选自Mg合金；工具头为直径8～12mm的半球形，采用模具钢制作，工具头的小应变压入的深度为每道次40～60μm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述工具头的表面粗糙度≤0.16；工具头的旋转速度为110～130rpm，进给速度为10～30mm min^-1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述机械旋转研磨中，工具头与金属材料之间涂敷有润滑油。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述机械旋转研磨在常温下进行。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

1)对工具头和Mg合金进行表面抛光处理；

2)经过步骤1)后，利用工具头对Mg合金进行n层m道次的小应变压入下的机械旋转研磨；

3)经过步骤2)后，对所述Mg合金进行表面超声清洗。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将Mg合金固定在工作台上；

2.2)用工具头对Mg合金进行逐道次小应变压入，并在每次压入Mg合金后进行对应道次的机械旋转研磨，待各道次的机械旋转研磨完成后，进行下一层各道次小应变压入下的机械旋转研磨，并使小应变逐层累积成大应变。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：1<n≤8，1<m。