專利名稱：超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在金屬件表面形成納米晶層(表面納米化)方法，尤其涉及一種利用超聲波高能表面機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)金屬件無涂層表面納米化的方法。
背景技術(shù)：
晶粒細(xì)化能夠在提高強(qiáng)度的同時(shí)改善金屬的韌性。隨著納米科技的出現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室中將金屬塊體的晶粒細(xì)化到納米級(jí)(＜100nm)已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。大量的研究揭示，納米晶金屬材料的確具有獨(dú)特的性能，其中包括高強(qiáng)度、高硬度和良好的韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，納米晶金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用存在兩個(gè)突出難題(1)當(dāng)晶粒直徑在小于1μm(亞微米級(jí)，晶粒直徑在1μm～100nm之間；納米級(jí)，晶粒直徑小于100nm)時(shí)，金屬的加工硬化能力逐漸喪失、屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比(簡(jiǎn)稱“屈強(qiáng)比”)增大(常規(guī)材料的屈強(qiáng)比通常小于0.7，而納米及亞微米晶金屬材料屈強(qiáng)比卻常常大于0.9，甚至趨近于1)、均勻拉伸延伸率降低、塑性惡化。這一致命的弱點(diǎn)極大地限制了納米及亞微米晶金屬材料在結(jié)構(gòu)件中的直接應(yīng)用。
(2)作為結(jié)構(gòu)材料，較大的外觀尺寸常常是必需的，而大尺寸塊體納米材料的制備是一個(gè)世界性的難題?，F(xiàn)有的制備技術(shù)(例如，粉末冶金、非晶晶化和馬氏體大變形再結(jié)晶等)的工藝復(fù)雜性和困難程度使得大尺寸塊體納米晶金屬結(jié)構(gòu)材料的規(guī)?；a(chǎn)成本高昂且不現(xiàn)實(shí)。
解決上述難題的方法之一是采用一種新型的表面改性技術(shù)——表面納米化(surface nanocrystallization，簡(jiǎn)稱SNC)。鑒于失效(磨損、腐蝕和疲勞等)通常都是從材料或構(gòu)件表面開始的，對(duì)表面層進(jìn)行局部的納米化處理改善的就不僅僅是表面性能，而且是材料或構(gòu)件的整體性能。這肯定要比對(duì)材料或構(gòu)件整體進(jìn)行納米化要容易和經(jīng)濟(jì)得多。此外，由于只有表面層進(jìn)行了納米化，材料或構(gòu)件的絕大部分(心部)仍然為常規(guī)的微米晶并具有足夠的塑性。這種納米晶與常規(guī)微米晶組成的廣義復(fù)合材料可以在強(qiáng)度、塑性和韌性之間取得良好的平衡。
表面納米化可以分為三種類型第一類，引入異質(zhì)材料從而在材料表面形成納米結(jié)構(gòu)涂層或鍍層，稱為有涂層表面納米化；第二類，利用高能表面機(jī)械加工使金屬表面發(fā)生局部強(qiáng)烈塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致表面自身納米化，稱為無涂層表面納米化；第三類，為第一、第二類表面納米化的組合。
目前，有多項(xiàng)表面納米化專利已經(jīng)獲得授權(quán)或受理，其中發(fā)明專利“一種金屬材料表面納米層的制備方法(公開號(hào)CN 1301873A)”，發(fā)明專利“形成納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械方法和專用機(jī)械設(shè)備(公開號(hào)CN1336321A)”(等效專利FR2812284、WO0210463、AU8408701)，發(fā)明專利“形成納米結(jié)構(gòu)方法和專用設(shè)備(公開號(hào)CN 1336444A)”(等效專利FR2812286、WO0210461、AU8224001)，發(fā)明專利“形成納米結(jié)構(gòu)處理方法和專用處理設(shè)備(公開號(hào)CN 1336445A)”(等效專利FR2812285、WO0210462、AU8224101)的共同特征在于，都使用了彈丸作為輸入能量的載體，通過使待處理工件表面發(fā)生局部強(qiáng)烈塑性變形將表面晶粒細(xì)化到納米尺度，最終達(dá)到表面納米化的目的。這些專利的主要問題是處理過程處于一個(gè)密閉的腔體中，能夠表面納米化的工件形狀和尺寸有限，無法處理大尺寸的工件。
發(fā)明專利“超音速微粒轟擊金屬表面納米化方法(公開號(hào)CN1410560A)”(等效專利申請(qǐng)?zhí)朥S58260-010100)則利用壓縮空氣攜帶硬質(zhì)微粒通過超音速噴嘴高速運(yùn)動(dòng)轟擊金屬材料表面，可以解決工件形狀和尺寸的限制問題。該發(fā)明可以對(duì)對(duì)形狀復(fù)或大平面的工件進(jìn)行表面納米化處理，且納米層分布均勻。該發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是可以納米化處理的工件形狀和尺寸不受限制，其不足之處在于硬質(zhì)微?；厥赵倮美щy、所形成的表面納米化層太薄且表面光潔度不高(如果當(dāng)工藝控制不當(dāng)，超音速微粒轟擊還可能引起沖蝕(erosion)從而造成對(duì)工件不同程度的損傷)。此外，為了隔絕粉塵和噪音，該發(fā)明的裝置需要放置在一個(gè)類似于噴涂間的隔音室(或隔音箱)中。
日本公開特許公報(bào)JP2003039398提出了一種基于落錘原理的“金屬制品的表面納米化方法”。根據(jù)這一方法，在一個(gè)落錘的端面有至少一個(gè)突起。落錘加速落下，使每個(gè)突起能夠以0.1kg.m/s的動(dòng)量撞擊置于落錘下方的金屬件表面，從而使金屬件被撞擊部位發(fā)生表面納米化。這一方法雖然十分簡(jiǎn)單方便，但能夠處理的金屬件的尺寸和形狀有限，同時(shí)形成的表面納米晶層的均勻性也不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，該方法可對(duì)形狀復(fù)雜、大尺寸的金屬件進(jìn)行表面納米化，不僅可以對(duì)金屬件進(jìn)行局部強(qiáng)烈塑性變形、同時(shí)還可以確保這種變形能夠以更高的應(yīng)變速率實(shí)現(xiàn)的更有效的表面納米化，并且無須任何彈丸或微粒作為中間能量(或動(dòng)量)載體就能夠?qū)饘偌苯舆M(jìn)行高能表面機(jī)械加工，實(shí)現(xiàn)金屬件表面納米化。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是將超聲波換能器上的沖頭與金屬件待處理表面直接接觸，控制超聲波換能器與金屬件之間的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及選擇或控制超聲波換能器沖頭的幾何形狀、振幅、超聲波頻率和功率，將超聲波振動(dòng)能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強(qiáng)烈塑性變形，從而將金屬件表面層晶粒細(xì)化到納米尺度。
上述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，所述沖頭的沖擊功率為10-500W、頻率為20-30kHz、振幅為2-30μm、球形沖頭的曲率半徑為1-5mm。
上述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，所述沖頭相對(duì)于金屬件表面移動(dòng)的線速度vx應(yīng)該滿足0≤vx≤2fr和vx=2fh(2R-h),]]>其中r和h分別是單次沖擊后形成的凹坑半徑和連續(xù)沖擊后表面上的凸臺(tái)高度；沖頭相對(duì)于金屬件表面移動(dòng)的線速度vx還應(yīng)該確保相鄰兩個(gè)沖擊凹坑之間有足夠高的相對(duì)重疊度L，L=2r-λ2r×100%,]]>其中λ為兩個(gè)相鄰凹坑的間距，以實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)烈塑性變形的累積。
上述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，所述沿金屬件表面各個(gè)方向上沖擊凹坑的相對(duì)重疊度L應(yīng)相等。
上述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，所述對(duì)于金屬件二維平面的表面納米化處理，控制沖頭相對(duì)于X和Y兩個(gè)方向移動(dòng)的線速度vX和vY相等，使X和Y兩個(gè)方向的相對(duì)重疊度相等。
本發(fā)明的原理包括以下兩個(gè)方面(1)高能表面機(jī)械加工的基本原理。利用壓電陶瓷或電磁感應(yīng)裝置將電能轉(zhuǎn)化成高能超聲波，再通過超聲波換能器上的專用沖頭與待處理金屬件表面之間直接接觸，將超聲波振動(dòng)能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強(qiáng)烈塑性變形。
(2)表面納米化的基本原理。利用強(qiáng)烈塑性變形可以細(xì)化金屬的晶粒。由于采用高能表面機(jī)械加工方法，可以在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率的局部強(qiáng)烈塑性變形。與塊體金屬件的整體強(qiáng)烈塑性變形相比，表面層局部的變形可以達(dá)到更高的應(yīng)變水平——極度強(qiáng)烈塑性變形；與普通噴丸或落錘方法相比，局部強(qiáng)烈塑性變形能夠以更高的應(yīng)變速率發(fā)生——甚至可以實(shí)現(xiàn)超音速強(qiáng)烈塑性變形——從而能夠更有效地將金屬件表面層的晶粒細(xì)化到納米級(jí)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)在金屬件表面能夠形成一層化學(xué)成分與金屬件基體完全相同的納米晶。這一納米晶層與金屬件基體之間沒有明顯的分界線，結(jié)合良好、性能過渡均勻。表面層由于晶粒在納米尺度而具有高的強(qiáng)度、硬度和優(yōu)異的韌性，可以有效阻止自表面開始的失效(如，磨損和疲勞裂紋的萌生等)；而占金屬件絕大部分的基體金屬的晶粒尺寸仍然在微米級(jí)從而具有良好的塑性。整個(gè)金屬件形成一種納米晶與微米晶的廣義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)并具有良好的綜合力學(xué)性能——表面納米晶可以有效阻止自表面開始的失效(如，磨損和疲勞裂紋的萌生等)，基體微米晶可以承擔(dān)整個(gè)金屬件的塑性變形。因此，經(jīng)過本發(fā)明的表面納米化處理后，金屬件的耐磨性和抗疲勞性能顯著提高，而塑性并不會(huì)下降。
(2)由于采用了高能表面機(jī)械加工方法，輸入的能量集中在金屬件的表面層并只造成表面納米化，這要比使金屬件整體納米化更易于實(shí)現(xiàn)、消耗的能量更少、成本更低。
(3)由于金屬件與超聲波換能器之間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式可以變化多樣，本發(fā)明可以適合各種復(fù)雜形狀金屬件的表面納米化處理。如，金屬件靜止，而超聲波換能器做二維往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)金屬件的平面部位進(jìn)行表面納米化處理；金屬件旋轉(zhuǎn)，而超聲波換能器沿旋轉(zhuǎn)軸做一維直線運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)金屬件的端部平面進(jìn)行表面納米化處理，也可以對(duì)金屬軸件的圓柱面進(jìn)行表面納米化處理；將超聲波換能器安裝在多軸機(jī)械手上，則可以對(duì)更復(fù)雜形狀的金屬件進(jìn)行三維空間曲面的表面納米化處理。
(4)如果在金屬件常規(guī)機(jī)械加工之后進(jìn)行本發(fā)明的高能表面機(jī)械加工，則不僅可以實(shí)現(xiàn)金屬件的表面納米化，而且可以a.起到與傳統(tǒng)的錘擊或噴丸處理類似的效果——表面強(qiáng)化和釋放殘余應(yīng)力，從而提高金屬件的疲勞抗力和尺寸穩(wěn)定性；b.取得表面光潔處理效果，顯著提高金屬件的表面光潔度。
(5)如果在后續(xù)化學(xué)熱處理之前進(jìn)行本發(fā)明的高能表面機(jī)械加工，由于表面附近區(qū)域高體積分?jǐn)?shù)的空位、位錯(cuò)和晶界等晶體缺陷加大了擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)活性，并使化學(xué)處理(如滲氮)的效率提高、溫度和保溫時(shí)間大幅度降低，可以節(jié)能并有助于提高工件的尺寸穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明工藝原理示意圖；圖2為實(shí)施例1表面納米化金屬件的X射線衍射結(jié)果(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)基體與表面納米層過渡區(qū)，曲線3對(duì)應(yīng)表面納米層)；圖3為實(shí)施例2表面納米化金屬件的X射線衍射結(jié)果(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)基體與表面納米層過渡區(qū)，曲線3對(duì)應(yīng)表面納米層)；圖4為實(shí)施例4表面納米化金屬件的X射線衍射結(jié)果(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)表面納米層)；圖5為實(shí)施例4表面納米化金屬件的X射線衍射放大圖(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)表面納米層)；圖6為實(shí)施例6表面納米化金屬件的X射線衍射結(jié)果(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)基體與表面納米層過渡區(qū)，曲線3對(duì)應(yīng)表面納米層)；圖7為實(shí)施例6表面納米化金屬件的X射線衍射放大圖(其中曲線1對(duì)應(yīng)原始態(tài)，曲線2對(duì)應(yīng)基體與表面納米層過渡區(qū)，曲線3對(duì)應(yīng)表面納米層)；具體實(shí)施方式
一種超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，是將超聲波換能器上的沖頭與金屬件待處理表面直接接觸，控制超聲波換能器與金屬件之間的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及選擇或控制超聲波換能器沖頭的幾何形狀、振幅、超聲波頻率和功率，將超聲波振動(dòng)能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強(qiáng)烈塑性變形，從而將金屬件表面層晶粒細(xì)化到納米尺度。
參見圖1，其中R為超聲波換能器球形沖頭的曲率半徑，x為相鄰兩個(gè)沖擊凹坑的間距，2H為沖頭的振幅。假定沖頭的振動(dòng)頻率為f，則沖頭平行和垂直于金屬件表面方向的平均運(yùn)動(dòng)速度(切向速度和法向速度)分別為vx＝fx和vH＝2fH。假定單次沖擊后金屬件表面形成的凹坑半徑為r，經(jīng)過連續(xù)的沖擊處理后金屬件表面上的凸臺(tái)高度為h(反映粗糙度或光潔度水平)。如果假設(shè)沖頭的原始位置與金屬件待處理表面的距離為0，顯然r=H(2R-H)]]>h=R-R2-(vx2f)2]]>或vx=2fh(2R-h)]]>
此外，考慮到金屬彈性恢復(fù)，實(shí)際粗糙度Ra將數(shù)倍于上式計(jì)算的h值。
為了便于工藝設(shè)計(jì)，我們定義了一個(gè)新的“描述兩個(gè)相鄰凹坑相對(duì)重疊程度”的參數(shù)——相對(duì)重疊度LL=2r-λ2r×100%]]>其中λ為兩個(gè)相鄰凹坑的間距。L是有方向性的，對(duì)于示意圖1，X方向的相對(duì)重疊度記為LX，且λ＝x。當(dāng)λ＝x＝0時(shí)，Lx＝100％，兩個(gè)相鄰凹坑完全重疊；當(dāng)λ＝x＝2r時(shí)，Lx＝0，兩個(gè)相鄰凹坑剛好相切。
以上R、f、H、vx和L就是本發(fā)明所要控制和優(yōu)化的工藝參數(shù)。通常，為了取得表面納米化效果，需要滿足如下三個(gè)條件一是每次沖擊都不能超過材料的破裂強(qiáng)度以避免形成微裂紋，二是每次沖擊都要超過材料的屈服強(qiáng)度從而造成局部強(qiáng)烈塑性變形并通過多次重復(fù)沖擊累積足夠高的塑性變形量，三是每次沖擊都必須有足夠高的速度以確保足夠高的應(yīng)變速率。對(duì)于金屬材料，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化(1)沖頭的沖擊(振動(dòng))功率選擇或控制在10-500W之間，最好在50-200W之間，以確保能夠產(chǎn)生足夠的塑性變形。
(2)沖頭的沖擊(振動(dòng))頻率f選擇或控制在20-30kHz之間，最好20-25kHz之間，以確保足夠高的應(yīng)變速率。
(3)沖頭的振幅H選擇或控制在2-30μm之間，最好在5-20μm之間，以確保適當(dāng)?shù)臎_擊力(發(fā)生屈服，但不破裂)以及足夠的納米化深度。
(4)球形沖頭的曲率半徑R在1-5mm之間選擇，以確保能夠產(chǎn)生塑性變形、足夠的納米化深度、較高的處理效率和表面光潔度。
(5)為了確保沖擊凹坑的連續(xù)，要求0≤x≤2r，即沖頭移動(dòng)的線速度要滿足0≤vx≤2fr。通常，vx應(yīng)該控制在10-100mm/min之間，最好在20-70mm/min之間。
(6)表面納米化處理的關(guān)鍵控制參數(shù)之一是相對(duì)重疊度L。L過大，對(duì)單位面積進(jìn)行高能表面機(jī)械加工所需的時(shí)間過長，效率降低；L過小，局部累積塑性變形量不夠，無法取得納米化效果；如果L控制恰當(dāng)，可以取得重復(fù)沖擊的效果，相當(dāng)于多次反復(fù)塑性變形的快速累積，這對(duì)于細(xì)化晶粒乃至有效實(shí)現(xiàn)納米化至關(guān)重要。此外，為了在表面上取得均勻的納米化效果，各個(gè)方向的相對(duì)重疊度L必須盡可能相等或一致。
對(duì)于金屬件平面的表面納米化處理，使X和Y兩個(gè)方向相對(duì)重疊度相等，即Lx＝LY的充要條件是λx＝λY，因此只要協(xié)調(diào)控制vx＝vY即可。
對(duì)于金屬件圓柱曲面的表面納米化處理，使軸向X和周向(切向)t二者的相對(duì)重疊度相等，即Lx＝Lt的充要條件是λx＝λt。在這種情況下，參數(shù)的選擇與旋轉(zhuǎn)件的直徑D、轉(zhuǎn)速n以及沖頭沿著旋轉(zhuǎn)件軸向X的移動(dòng)速度vx有關(guān)。因?yàn)?amp;lambda;x=vxn,]]>λt=nπD60f,]]>所以vx=n2πD60f,]]>或n=60fvxπD]]>或者lx=nπD60f,]]>或n=60flxπD]]>其中l(wèi)x為沖頭沿著軸向每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量或移動(dòng)距離(lx＝λx＝vx/n)；lx、vx、n、D和f的單位分別是mm/r、mm/min、r/min、mm和Hz?？梢姡跊_頭沖擊(振動(dòng))頻率f和移動(dòng)速度vx或軸向進(jìn)給量lx一定的條件下，軸越細(xì)(D越小)轉(zhuǎn)速應(yīng)該越快，反之亦相反。
實(shí)施例1鋁合金板，待處理的表面為一矩形平面。
鋁合金板經(jīng)過常規(guī)的機(jī)械加工后，固定在臺(tái)架上靜止不動(dòng)。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置為外購件(以下同)。該裝置的超聲波換能器安裝在機(jī)械手上，換能器的球形沖頭與待處理的表面垂直并做二維往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，直到全部待處理的表面被處理一遍。具體工藝參數(shù)列于表1。
通過X射線測(cè)定(圖2)和謝勒方程(Scherrer-Wilson方程)[X-rayDiffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials，2ndEd.，New YorkWiley，(1974)662]計(jì)算，表面納米化處理后表面層(約5μm深)的平均晶粒尺寸也列于表1，納米化層的深度在10μm左右。
實(shí)施例2Φ300mm的鋁合金盤，待處理的表面為盤表面(平面)。
鋁合金盤經(jīng)過常規(guī)的機(jī)械加工后，水平固定在臺(tái)架上靜止不動(dòng)。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器固定在機(jī)械手上，球形沖頭與待處理的表面垂直并做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，直到全部待處理的表面被重復(fù)處理2遍。具體工藝參數(shù)列于表1，其中第一遍和第二遍處理時(shí)沖頭的振幅分別控制在25～30μm之間和5～10μm之間，機(jī)械手的移動(dòng)線速度分別在70～90mm/min之間和40～50mm/min之間。
通過X射線測(cè)定(圖3)和Scherrer-Wilson方程計(jì)算，表面納米化處理后表面層(約5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1，納米化層的深度在30μm左右。
實(shí)施例3直徑Φ25mm的40Cr鋼軸，待處理的表面為軸的圓柱曲面。
40Cr鋼軸件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)和常規(guī)的機(jī)械加工后，夾持在高速回轉(zhuǎn)裝置上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器固定在機(jī)械手上，沖頭與待處理的圓柱曲面正交并沿軸線做直線運(yùn)動(dòng)，直到全部待處理的表面被處理1遍。具體工藝參數(shù)及表面納米化處理后表面層的平均晶粒尺寸均列于表1。
實(shí)施例4直徑Φ50mm的GCr15鋼軸，待處理的表面為軸的圓柱曲面。
GCr15鋼軸件經(jīng)過球化退火、淬火和低溫回火以及車削加工后，夾持在機(jī)床的卡盤與尾架的頂尖之間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器固定在機(jī)械手上，沖頭與待處理的圓柱曲面正交并沿軸線做直線運(yùn)動(dòng)，直到全部待處理的表面被處理1遍。具體工藝參數(shù)列于表1。
通過X射線測(cè)定(圖6)和Scherrer-Wilson方程計(jì)算，表面納米化處理后表面層(約5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1。特別值得注意的是，經(jīng)過表面納米化處理后，調(diào)質(zhì)態(tài)Gr15鋼中的滲碳體第二相極度細(xì)化甚至發(fā)生部分溶解，在X射線衍射譜上表面的滲碳體峰(圖7中箭頭所指)明顯變?nèi)酢＿@種情況在共析鋼絲的強(qiáng)烈拉拔中曾經(jīng)遇到[Acta Mater，45(1997)1201-1212]，可以認(rèn)為是強(qiáng)烈塑性變形導(dǎo)致了滲碳體細(xì)化至納米級(jí)，甚至部分溶解。滲碳體第二相極度細(xì)化甚至部分溶解對(duì)改善表面納米層的熱穩(wěn)定性以及抗裂和抗疲勞性能應(yīng)該是有利的，同時(shí)，對(duì)硬度和耐磨性能沒有不利影響。利用納米壓痕儀測(cè)定的表面納米層硬度達(dá)到12GPa，是基體(3.7GPa)的3倍多。
實(shí)施例5Φ120mm的40Cr鋼軸，待處理的表面為軸的圓柱曲面。
40Cr鋼軸件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)和常規(guī)的機(jī)械加工后，夾持在機(jī)床的卡盤與尾架的頂尖之間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器和沖頭固定在機(jī)床刀架上、與待處理的圓柱曲面正交并沿軸線做直線運(yùn)動(dòng)，直到全部待處理的表面被重復(fù)處理1遍。具體工藝參數(shù)及表面納米化處理后表面層的平均晶粒尺寸均列于表1。
實(shí)施例6Φ200mm的40Cr鋼軸，待處理的表面為軸的圓柱曲面。
經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理和常規(guī)的機(jī)械加工的40Cr鋼軸件以及超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器在機(jī)床上的安裝方式與實(shí)施例5相同，但表面納米化處理重復(fù)做2遍。具體工藝參數(shù)列于表1，其中第一遍和第二遍處理時(shí)沖頭的振幅分別控制在15～20μm之間和10～15μm，刀架(沖頭)沿軸向的進(jìn)給量分別為0.1mm/r之間和0.2mm/r之間。
通過X射線測(cè)定(圖4)和Scherrer-Wilson方程計(jì)算，表面納米化處理后表面層(約5μm深)的平均晶粒尺寸列于表1，納米化層的深度在70μm左右。特別值得注意的是，經(jīng)過表面納米化處理后，調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中的滲碳體第二相極度細(xì)化甚至完全溶解，在X射線衍射譜上表面及過渡區(qū)的滲碳體峰(圖5中箭頭所指)幾乎消失。這對(duì)改善表面納米層的抗裂以及抗疲勞性能應(yīng)該是有利的，同時(shí)，對(duì)硬度和耐磨性能沒有不利影響。利用納米壓痕儀測(cè)定的表面納米層硬度達(dá)到8.0GPa，是基體(2.7GPa)的近3倍。
實(shí)施例7Φ800mm的GCr15鋼輥，待處理的表面為輥的一段圓柱曲面。
GCr15鋼輥件兩端帶臺(tái)肩的細(xì)的軸節(jié)，兩端較細(xì)的軸節(jié)夾持在機(jī)床的卡盤與尾架的頂尖之間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輥件中部采用托架支撐。超聲波高能表面機(jī)械加工裝置的換能器在機(jī)床上的安裝方式與實(shí)施例5相同，表面納米化處理1遍。具體工藝參數(shù)及表面納米化處理后表面層的平均晶粒尺寸均列于表1。
表1各實(shí)施例的工藝參數(shù)及表面納米化處理結(jié)果
*高速旋轉(zhuǎn)裝置
權(quán)利要求
1.一種超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是將超聲波換能器上的沖頭與金屬件待處理表面直接接觸，控制超聲波換能器與金屬件之間的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及選擇或控制超聲波換能器沖頭的幾何形狀、振幅、超聲波頻率和功率，將超聲波振動(dòng)能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強(qiáng)烈塑性變形，從而將金屬件表面層晶粒細(xì)化到納米尺度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是沖頭的沖擊功率為10-500W、頻率為20-30kHz、振幅為2-30μm、球形沖頭的曲率半徑為1-5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是沖頭相對(duì)于金屬件表面移動(dòng)的線速度vX應(yīng)該滿足0≤vX≤2fr和vX=2fh(2R-h),]]>其中r和h分別是單次沖擊后形成的凹坑半徑和連續(xù)沖擊后表面上的凸臺(tái)高度；沖頭相對(duì)于金屬件表面移動(dòng)的線速度vX還應(yīng)該確保相鄰兩個(gè)沖擊凹坑之間有足夠高的相對(duì)重疊度L，L=2r-λ2r×100%,]]>其中λ為兩個(gè)相鄰凹坑的間距，以實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)烈塑性變形的累積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是沿金屬件表面各個(gè)方向上沖擊凹坑的相對(duì)重疊度L應(yīng)相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是對(duì)于金屬件二維平面的表面納米化處理，控制沖頭相對(duì)于X和Y兩個(gè)方向移動(dòng)的線速度vX和vY相等，使X和Y兩個(gè)方向的相對(duì)重疊度相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用超聲波高能表面機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)金屬件無涂層表面納米化的方法。一種超聲波高能表面機(jī)械加工的金屬表面納米化方法，其特征是將超聲波換能器上的沖頭與金屬件待處理表面直接接觸，控制超聲波換能器與金屬件之間的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及選擇或控制超聲波換能器沖頭的幾何形狀、振幅、超聲波頻率和功率，將超聲波振動(dòng)能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強(qiáng)烈塑性變形，從而將金屬件表面層晶粒細(xì)化到納米尺度。本發(fā)明可對(duì)形狀復(fù)雜、大尺寸的金屬件表面進(jìn)行高能機(jī)械加工，并以更高的應(yīng)變速率實(shí)現(xiàn)之，而且無須任何彈丸或微粒作為中間能量(或動(dòng)量)載體就能夠?qū)崿F(xiàn)金屬件表面納米化。
文檔編號(hào)C21D1/09GK1924030SQ20051002920
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者宋洪偉, 張俊寶, 史弼 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司