CN1732274A - 金属表面微细化方法及由该方法制得的金属制品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微细化金属表面以在金属表面形成尺寸小于1μm的晶粒的方法及由该方法制得的金属制品。该方法通过调整喷丸材料或碰撞物在金属表面上单位面积的功率，对金属表面进行喷丸或碰撞，从而在上述金属的表面形成粒径小于1微米的晶粒。

Description

金属表面微细化方法及由该方法制得的金属制品

技术领域

本发明涉及一种微细化金属表面以在其表面形成尺寸小于1μm的晶粒的方法及由这种方法制得的金属制品。

背景技术

众所周知，当金属产品表面经过喷丸硬化，其表面的微结构就可以被微细化(请参见文献1)。文献1公开了经喷丸硬化后形成的高位错密度表面层中，具有微细粒度的微结构对于改善金属制品的疲劳特征是非常有用的。

文献1：A.Niku-Lari，First International Conference on Shot Peening，United Kingdom，Pergamon Press，1981，p.192.

发明内容

然而，文献1没有公开形成尺寸小于1μm(微米)的晶粒，也就是说，它没有公开形成尺寸小于1μm的晶粒的机制和条件。

本发明正是为了解决上述问题。即，本发明的目的是提供一种微细化金属产品表面的方法，以在其表面形成尺寸小于1μm的晶粒。

本发明的又一目的是提供使用该方法处理得到的金属制品。

为了实现上述目的，本发明的方法包括通过调整喷丸材料或碰撞物在金属表面上单位面积的功率，对金属表面进行喷丸或碰撞，从而在上述金属的表面形成粒径小于1微米的晶粒的工艺。

根据本发明，通过在金属制品表面形成尺寸小于1微米的晶粒能够改善金属制品的疲劳强度、硬度和抗腐蚀能力。

如上所示，本发明包括通过调整喷丸材料或碰撞物在金属表面上单位面积的功率，对其进行喷丸或碰撞，从而在上述金属的表面形成粒径小于1微米的晶粒的方法，这个功率由投射、喷射喷丸材料或碰撞物产生。该金属制品由该方法处理。因此，根据本发明，金属制品的疲劳强度、硬度和抗腐蚀能力可以通过在金属制品表面形成尺寸小于1微米的晶粒来得到改善。

附图说明

图1为第一实施例的弹丸撞击装置的立体示意图；

图2为第二实施例的用于加工金属制品表面的落锤冲击装置的立体示意图；

图3为第三和第四实施例喷丸硬化装置的横剖面示意图；

图4为使用本发明的方法处理后的金属制品表面的显微照片；

图5为使用本发明的方法微细化后的晶粒的显微照片。

具体实施方式

下面来解释本发明的较佳实施例。本发明涉及一种方法，该方法包括通过调整喷丸材料或碰撞物在金属表面上单位面积的功率，对金属表面进行喷丸或碰撞，从而在上述金属的表面形成粒径小于1微米的晶粒的工艺，这个功率是由投射、喷射喷丸材料或碰撞物产生的。

钢或非铁金属可以用作本发明中金属制品的材料，金属制品表面是指能够受投射的喷丸材料或碰撞物影响的靠近表面的部分。受投射的喷丸材料或碰撞物影响的部分的深度取决于金属制品表面被喷丸材料或碰撞物碰撞时喷丸材料或碰撞物的速度、质量以及投射时间。

较佳地是，喷丸材料或碰撞物的硬度等于或高于金属制品的硬度。如果金属制品表面能够被硬化，喷丸材料或碰撞物的硬度低于金属制品的硬度也是可以接受的。

调整投射、喷射喷丸材料或碰撞物产生的表面单位面积的功率的原因如下：

文献1描述了当金属制品表面经过喷丸硬化时，金属制品表面微结构的微细化程度取决于位错密度和位错排列、粒度及微结构的相变。然而，文献1并没有解释其机制。

在本发明中，发现由喷丸材料或碰撞物投射产生的表面单位面积的功率影响金属制品表面微结构的微细化。

也就是说，不用反复地投射喷丸材料或碰撞物，如喷丸硬化，也可以产生纳米晶体。

表面的“单位面积”是指喷丸材料或碰撞物碰撞的接触面的总和。也既是，“单位面积”是由用喷丸材料或碰撞物数来乘以喷丸材料或碰撞物的接触面来计算的，其基于这样的假设：喷丸材料或碰撞物喷射在该表面产生的痕迹(喷丸材料或碰撞物接触面)没有重叠。因此，当表面的痕迹有重叠时，“单位面积”是通过接触面的总和减去重叠面积计算的，该重叠面积是基于接触面重叠的喷丸材料或碰撞物数计算得到的。因此，单位面积基本上与喷丸硬化的面积不一致。

然而，在一定的假设下，也可以将经喷丸硬化的金属制品表面积当作“单位面积”。

下面来解释第一实施例

图1为本发明第一实施例的装置。弹丸撞击装置10将直径为4mm(毫米)的金属球11通过具有压缩气体的喷嘴13高速度投射至金属制品12表面。表1列出了投射碰撞物的工作条件及处理结果。因这个过程在瞬间完成，此处理将增强该表面部分的强度。也就是，在金属制品12表面上被球11撞击的小区域在极短时间内受到强冲击，所以能够形成纳米晶体。

与用常规处理硬化或用基底材料制得的区域相比，在含有纳米晶体的区域内晶粒的生长非常缓慢。因此，根据加热后表面微结构的状态变化或硬度变化，可以明显地将含纳米晶粒的区域与其它用常规处理硬化或用基底材料制得的区域区分开来。由于加热后通过常规处理硬化的区域内的粒度变得非常粗，并且该区域的硬度会降低(以维氏硬度为度量，其表面的硬度从450Hv降至310Hv)，从而可以意识到加热后含有纳米晶体的区域内粒度生长非常缓慢，并且该区域的硬度降低得很少(该区域的硬度从700Hv降至650Hv)。

通过研究重结晶的行为，可以看到含有纳米晶体区域的形成。

现在来解释第二实施例

图2为本发明第二实施例的装置。落锤冲击装置20可以自由落下一金属重锤21于金属制品22表面，从而金属制品22表面与重锤21发生碰撞，以加工处理该金属制品22表面。表1为落锤工作条件及处理结果。在该装置20中，待处理以在其表面22A形成纳米晶体的金属制品22位于圆筒底部(图中未示)。

在该实施例中，金属制品22已经过机床加工以使其具有一个最终构造，并且不能在圆筒内移动，因为该金属制品的外部构造与圆筒的内部构造(图未示)非常一致。该金属重锤21置于圆筒的顶部。如下所解释：一突出部21A设置于金属重锤21的表面，该突出部具有一预定的从该重锤21表面突起的高度(3毫米)。该突出部21A设置于重锤上正对着金属制品22的表面22A上应当形成纳米晶体的点。

置于圆筒上部的金属重锤自由落下。因而，金属重锤的突出部21A撞击金属制品22的表面22A上预定的部位。如果金属重锤的质量设为M(Kg千克)，金属重锤21撞击金属制品22表面的速度设为V(m/sec，米每秒)，那么V就可以用下式表示：

$V=\sqrt{2\mathrm{gH}}$

(g：重力加速度；H：锤子落下的距离)

即，金属重锤21的突出部21A以下面的动量撞击金属制品22表面22A：

$M*\sqrt{2\mathrm{gH}}(\mathrm{Kg}*m/\sec )$

因此，对应于该动量的瞬时的力作用在突出部21A撞击金属制品22的部位。由于撞击在短时间内完成，突出部撞击的金属制品的部位的强度将显著地增大。

即是，由于该金属制品表面被金属重锤21的突出部21A撞击的小区域在非常短的时间内受到强冲击，因而极易形成纳米晶体。

根据本实施例试验的结果，每个单位面积的功率，即由突出部产生的单位凹陷面积或其接触面积的功率，应当至少为11KJ/sec*mm²(千焦每秒每平方毫米)。

也就是说，金属重锤的累积动量并不重要，重要的是单位凹陷面积的功率。

如果单位凹陷面积的功率小于11KJ/sec*mm²(千焦每秒每平方毫米)，那么在金属制品22表面22A就没有纳米晶体形成。即，当突出部21A撞击金属制品22表面22A的单位凹陷面积功率大于11千焦每秒每平方毫米，才会在突出部21A撞击的部位形成纳米晶体。

较佳地是，突出部为半球状突出部，其从金属重锤21表面的突出高度为1-10mm。该突出部可以是椭圆形状。如果金属制品表面的多个部分需处理形成纳米晶体，则可以在该金属重锤表面设置多个与这些部分相对的多个突出部21A。

上述所述的动量可以定义为金属重锤21的质量(M)和其在突出部撞击瞬时的速度(V)的函数。当具有半球状的高度为1-10mm的突出部21A的金属重锤21用于本发明的试验中时，金属重锤21的质量设为0.1-10Kg，重锤在突出部撞击时刻的速度设成大于1米/秒，这样就可以获得大于11KJ/sec*mm²(千焦每秒每平方毫米)的单位凹陷面积的功率，从而在金属制品表面形成纳米晶体。

当使用具有多个突出部21A的金属重锤21时，有必要将与金属制品22表面22A碰撞的重锤质量设置成等于突出部的数量乘以含有一个突出部的重锤的质量(在0.1-10Kg之间)。然后，以大于1m/sec的速度落下重锤完成该过程。由于动量除以由所有突出部21A产生的总的凹陷面积和变形时间的值满足单位凹陷面积的功率大于11千焦每秒每平方毫米，所以金属制品表面部分可以形成纳米晶体。

接下来，解释第三实施例

图3为本发明第三实施例的装置。喷丸硬化装置30通过喷嘴33用压缩空气可以投射直径50μm(微米)的钢质喷丸材料31到金属制品33表面。表1列出了喷丸硬化的工作条件和处理结果。从表1可以发现，第三实施例中为了产生纳米晶体的单位面积功率大于第一实施例和第二实施例。

在该实施例中，控制压缩空气的压力，使得喷丸材料31投射在金属制品上的速度为150-200米每秒。如果需要用喷丸硬化处理金属制品表面全部区域，可以通过移动金属制品32来处理，以使喷丸材料投射到全部区域。借助于这种喷丸硬化处理可以在金属制品32表面形成一层由粒度小于100nm(纳米)的微细晶体组成的层。研究发现，微细晶体层的硬度显著地提高。图4为使用本发明第三实施例的方法处理的金属制品表面的显微照片。图5也为使用本发明第三实施例的方法微细化的晶粒的显微照片。

如上所释，由于使用本发明第三实施例的方法可以在金属制品32表面形成微细晶体层，其硬度可以显著地提高。因此，金属制品32的强度也得到提高，并且金属制品的疲劳强度和抗腐蚀能力也得到改善。

现在来解释第四实施例

图3为本发明第四实施例的装置，该图与第三实施例显示的是同一个图。喷丸硬化装置30通过喷嘴33用压缩空气可以发射直径50-300微米的不锈钢喷丸材料31到金属制品33表面。表1列出了喷丸硬化的工作条件和处理结果。从表1中可以发现，该实施例用于产生晶体的单位面积的功率大于第一实施例和第二实施例。

在该实施例中，控制压缩空气的压力，以使得喷丸材料31投射在金属制品上的速度为80m/sec。如果金属制品表面全部区域均需要用喷丸硬化处理，可以通过移动金属制品32来处理，以使喷丸材料投射到全部区域。与第三实施例一样，借助于这种喷丸硬化工艺可以在金属制品32表面形成一层粒度小于100nm(纳米)的微细晶体层。研究发现，微细晶体层的硬度显著地增加。不仅可以使用由不锈钢制得的喷丸材料，而且由高碳钢或铁金属玻璃制得的喷丸材料也可以使用。而且，可以使用直径在30-2000μm(微米)范围内的喷丸材料。

如上所述，由于使用本发明第四实施例的方法可以在金属制品32表面形成一层微细晶体层，其硬度将显著地上升。因此，与第三实施例一样，金属制品32的强度也得到提高，并且金属制品的疲劳强度和抗腐蚀能力也得到改善。

一般而言，当金属制品表面进行喷丸硬化处理时，可在表面产生加工硬化。众所周知，金属的加工硬化的程度与其位错密度的平方根成比例。当金属制品继续加工时，由于晶粒位错之间的合并所造成的位错消失的速度增加，所以加工硬化率随着加工程度的增加而降低。然而，当以高的变形速率强冲击金属制品时，由于没有导致晶粒位错消失，晶粒位错密度将增大。那么，当位错密度达到临界值时，位错晶胞结构将变成晶界结构。

而且，金属制品表面微结构的微细化可以通过投射碰撞物或喷丸材料至其表面来改善，此时金属表面的温度控制在室温至-150℃之间。晶粒位错数量达到临界位错密度是很难的。这就使得晶体可以再结晶，这是由于晶粒位错的再生速度随着表面温度的升高而增大，温度的升高是由于碰撞物或喷丸材料的连续投射而引起的。而在低温条件下，由于通过投射碰撞物或喷丸材料微细化的晶粒结构的再生速度下降，易增加晶粒位错数量，也即是，位错密度易达到允许晶粒被微细化的临界值。

在该实施例中，液氮(温度：-196℃)和液态二氧化碳(温度：-79℃)可用来冷却金属制品。较佳地是，根据制品的材料，控制金属制品的温度在室温与大约-150℃之间。与在室温下投射碰撞物或喷丸材料的方法相比，使用该方法可能形成更微细的晶粒。

工业实用性

本发明涉及一种微细化金属制品表面以在其表面形成尺寸小于1μm的晶粒的方法及由该方法制造金属制品。通过本发明的方法，由于金属制品的疲劳强度、硬度和抗腐蚀能力得到改善，因此该方法应具有工业实用性的可能性。

表1各种加工法对应的加工条件

	弹丸撞击法	落锤法	喷丸硬化
				球粒直径φ(mm)	4	6	0.05
球粒速度(m/s)	120	4.4	190
				一次加工所耗能量(J)	1.9	49	9.2×10-6
变形深度(μm)	500	1000	5
				接触面积(mm2)	6.3	19	7.9×10-4
变形时间(s)	4.2×10-6	2.3×10-5	2.6×10-8
				速度误差(/s)	2.4×105	4.4×104	3.8×107
功率/接触面积(kJ/s·mm2)	72	11	450

Claims (7)

1、一种微细化金属表面的方法，其特征在于，其包括通过调整喷丸材料或碰撞物在金属表面上单位面积的功率，对金属表面进行喷丸或碰撞，从而在上述金属的表面形成粒径小于1微米的晶粒的工艺。

2、根据权利要求1所述的微细化金属表面的方法，其中喷丸材料或碰撞物用高碳钢、铁金属玻璃或不锈钢制造，且喷丸材料或碰撞物的直径为30-2000μm。

3、根据权利要求1或2所述的微细化金属表面的方法，其中单位面积的功率大于11千焦每秒每平方毫米。

4、根据权利要求1、2和3任一项所述的微细化金属表面的方法，其中投射、喷射喷丸材料或碰撞物至该表面的工艺在金属表面的温度控制在室温至-150℃之间时进行。

5、根据权利要求1-4任一项所述的微细化金属表面的方法，其中单位面积是通过碰撞物或喷丸材料的接触面积乘以喷丸材料或碰撞物的数量来计算的。

6、根据权利要求5所述的微细化金属表面的方法，其中该单位面积是由接触表面的总和减去重叠面积计算得到的，重叠面积是基于接触表面重叠的喷丸材料或碰撞物的数量计算得到的。

7、一种根据权利要求1-6任一项所述的微细化金属表面的方法硬化其表面得到的金属制品。

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