專利名稱：高疲勞壽命金屬納米晶粒表面改性工藝技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬納米晶粒表面改性的處理方法，特別是一種用于交變載荷、滑動(dòng)摩擦磨損和微動(dòng)磨損條件下的高疲勞壽命工作表面的制備方法，屬于表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在金屬工件服役環(huán)境下，材料的失穩(wěn)多始于表面，因此只要在工件原始材料上制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)表面納米化，就可以通過(guò)工件表面組織的改善和機(jī)械物理性能的優(yōu)化，提高材料的整體性能和服役行為。目前國(guó)內(nèi)外較成熟的納米表面改性工藝技術(shù)主要分為表面涂層或沉淀、表面自身納米化、和混合納米化三種。其中，表面自身納米化又分表面機(jī)械處理和非平衡熱力學(xué)法兩類。
表面機(jī)械處理是指在外加載荷的重復(fù)作用下，材料表面的粗晶組織經(jīng)過(guò)沿不同方向產(chǎn)生的強(qiáng)烈塑性變形而逐漸碎化至納米量級(jí)。實(shí)現(xiàn)高能量表面機(jī)械處理的方式主要有超音頻噴丸、研磨、超音速轟擊等。
非平衡熱力學(xué)法則是將材料快速加熱，使材料的表面達(dá)到熔化或相變溫度，再進(jìn)行急劇冷卻，通過(guò)熱動(dòng)力學(xué)控制來(lái)提高晶粒成核速率并抑止晶粒長(zhǎng)大速度，從而在材料的表面獲得納米晶組織。實(shí)現(xiàn)快速加熱-冷卻的方法主要有激光加熱和電子輻射等。
上述兩種工藝方法各具特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中也均獲得較為廣泛的應(yīng)用。但無(wú)論是表面機(jī)械處理，還是非平衡熱力學(xué)法，都需要在傳統(tǒng)切削加工工藝中獲得一定表面質(zhì)量后，通過(guò)額外輔助工序，使用昂貴設(shè)備與復(fù)雜工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)服役表面的納米改性處理，這將大幅增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)周期。不僅如此，單純的表面機(jī)械處理，如噴丸，還將惡化服役表面的表面粗糙度，從而降低服役表面的摩擦與磨損性能；而經(jīng)過(guò)非平衡熱力學(xué)法獲得的表面組織可能存在有高拉應(yīng)力作用的熱效應(yīng)影響區(qū)，從而將降低服役表面的疲勞壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題與不足，提供了一種金屬零件納米晶粒表層組織的制備方法，使所得到的工件表面可直接用于交變載荷作用下的滑/微動(dòng)摩擦服役條件，且制備的金屬納米晶粒組織層具有良好的抗熱沖擊性能和較高的耐磨性。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明首先對(duì)機(jī)械加工中(平面銑削、外圓車削、平面刨削等)切削刀具的主要工作角度與刃口幾何形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，增大金屬晶粒的擠壓與拉伸的程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三剪切變形區(qū)(即工件加工表面層)金相組織的微晶細(xì)化與壓應(yīng)力場(chǎng)生成。之后，根據(jù)工件材料原始組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)切削用量進(jìn)行優(yōu)化選擇，控制加工表面瞬態(tài)熱源的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，控制切削變形區(qū)的冷卻條件，提高表層金屬的溫度場(chǎng)梯度，利用非平衡熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒長(zhǎng)大速度，從而獲得兼具納米尺度晶粒與高殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布的高疲勞壽命加工表面。
以下對(duì)本發(fā)明的制備方法作進(jìn)一步的說(shuō)明，具體內(nèi)容如下(1)選擇合理的刀具材料與切削幾何參數(shù)，表層組織的塑性變形與流動(dòng)調(diào)節(jié)工藝。
首先選擇具有高硬度、高韌性的硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具材料?？紤]到陶瓷刀具材料的硬度高、耐磨性好、尤其高溫性能好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，當(dāng)工件材料為合金鋼時(shí)，必須選擇陶瓷刀具。當(dāng)加工的工件材料為純金屬或有色金屬材料，硬質(zhì)合金刀具也能夠滿足本方法的使用要求。
刀具切削部分的幾何參數(shù)影響著工件材料的變形與摩擦，不僅決定了作用于加工表面的正壓力的大小，而且對(duì)于切削變形區(qū)的熱效應(yīng)場(chǎng)形狀也有重要作用。刀具幾何參數(shù)合理與否的標(biāo)準(zhǔn)是在切削速度300m/min時(shí)，刀具可以在不發(fā)生崩刃情況下穩(wěn)定切削調(diào)質(zhì)45鋼20分鐘以上。對(duì)于金屬材料而言，主偏角需控制在45°～75°之間，前角控制在5°～15°之間，后角控制在-7°～5°之間。刀尖圓弧半徑則需控制在2～3.5mm范圍內(nèi)。
(2)優(yōu)化切削工藝參數(shù)，瞬態(tài)集中熱源的峰值強(qiáng)度與移動(dòng)速度控制工藝。
隨著切削刃在工件表面高速移動(dòng)，切削變形與摩擦過(guò)程在刃口區(qū)所累計(jì)的切削熱效應(yīng)區(qū)也將快速移動(dòng)?？刂迫锌趨^(qū)域的快速移動(dòng)的目的在于控制熱源(刃口區(qū))周圍的熱傳播效應(yīng)。
通過(guò)對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，不僅能夠改變切削變形區(qū)的熱源峰值強(qiáng)度值，而且能夠控制瞬態(tài)熱源的移動(dòng)速度。本發(fā)明需要增加瞬態(tài)熱源的移動(dòng)速度和成比例增大熱源功率，確保加工表面區(qū)域材料組織加熱到超過(guò)工件材料原始組織相變溫度AC3以上。該熱效應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度與熱源移動(dòng)速度成正比例，其寬度趨近一個(gè)極限值(純金屬材料為0.1～0.3mm，合金鋼材料為0.2～0.5mm)。當(dāng)熱源移動(dòng)速度，也就是切削線速度，超過(guò)一定范圍后(純金屬材料為560～770m/min，合金鋼材料為180～240m/min)，工件表面的熱傳播將主要在垂直于熱源運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行。此時(shí)，需控制切削深度與進(jìn)給量的比例不能超過(guò)2～5。
(3)控制冷卻潤(rùn)滑條件，表層變形區(qū)的溫度場(chǎng)變化梯度提高工藝。
根據(jù)不同工件材料的切削變形機(jī)理及金相組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)表面組織的晶粒細(xì)化，提高表層金屬的強(qiáng)度和韌性，減少熱影響區(qū)的亞穩(wěn)相的生成和殘余拉應(yīng)力分布，需要對(duì)切削變形區(qū)進(jìn)行冷卻劑噴流，通過(guò)傳導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱等方式加快工件表面的冷卻速度，大幅增加表層變形區(qū)的溫度場(chǎng)變化梯度，控制相變產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，從而在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布。根據(jù)不同的工件材料原始相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合理的冷卻劑類型。對(duì)于高硬度金屬材料，油基冷卻劑較理想，對(duì)于高韌性金屬材料，則選擇水基冷卻劑。為確保冷卻劑直接作用于切削變形區(qū)，需要保證冷卻劑的出口壓力需控制在0.3～0.8MPa之間，流量控制在220～480L/min之間。若使用液氮對(duì)合金鋼材料進(jìn)行冷卻，出口壓力需控制在0.6～1.2MPa之間，流量控制在30～150L/min之間。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，該制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，適用條件廣泛，已在有色純金屬和合金材料(含不銹鋼、高、低碳鋼)表面獲得納米層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所獲得納米組織層與基體組織之間不存在界面結(jié)構(gòu)和成分的明顯變化，在交變重載荷作用下，不易剝離。所制備的表面具有良好的綜合性能，如耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等，而且由于該類表面化學(xué)反應(yīng)活性增大，易于實(shí)現(xiàn)材料表面的選擇性化學(xué)反應(yīng)，可以直接服役于高應(yīng)力與交變載荷作用的工作表面。鑒于上述特點(diǎn)，本發(fā)明具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合發(fā)明的內(nèi)容提供具體的實(shí)施例實(shí)例1，紫銅納米晶粒表面的制備方法。
首先，選擇YT類硬質(zhì)合金作為刀片材料，并使用金剛石砂輪在工具磨床上磨制出刀具的主要工作角度主偏角70°，前角15°，后角5°，刀尖圓弧半徑則需控制在2mm。之后，在后刀面磨制出寬度為0.2mm，角度為0°的小平面。在此基礎(chǔ)上，選擇切削速度630m/min，每齒進(jìn)給量0.3mm/z，切削深度1mm的切削用量組合對(duì)工件表面進(jìn)行加工。選用液氮作為冷卻劑，液氮的出口壓力設(shè)為0.4MPa，流量設(shè)為100L/min。以此完成紫銅納米晶粒表面的制備過(guò)程。制備出的表層組織一般可形成平均尺寸約為100nm等軸形的超微晶粒。該類組織在透射電子顯微鏡中的衍射圖像呈環(huán)狀分布。通過(guò)單獨(dú)晶界無(wú)序取向的測(cè)量將能夠證實(shí)該類金屬組織結(jié)構(gòu)以大角度晶界形式出現(xiàn)。
實(shí)施例2，合金鋼30CrNi4MoVA高疲勞壽命納米晶粒表面的制備方法。
首先，選擇Al2O3陶瓷作為刀片材料；其次，使用金剛石砂輪在工具磨床上磨制出刀具的主要工作角度主偏角45°，前角7°，后角5°，刀尖圓弧半徑則需控制在3mm。之后，在后刀面磨制出寬度為0.2mm，角度為0°的小平面。在此基礎(chǔ)上，選擇切削速度190m/min，每齒進(jìn)給量0.2mm/z，切削深度0.5mm的切削用量組合對(duì)工件表面進(jìn)行加工。選用液氮作為冷卻劑，液氮的出口壓力設(shè)為0.8MPa，流量設(shè)為150L/min。以此完成合金鋼30CrNi4MoVA納米晶粒表面的制備過(guò)程。在該材料中，表層組織的納米晶粒的形變過(guò)程與紫銅相似，但所得到的超細(xì)晶粒尺度可以低于150nm。當(dāng)在合金原始組織中出現(xiàn)比基體強(qiáng)度更大的第二相顆粒時(shí)，可以出現(xiàn)第二相顆粒的破碎和因機(jī)械合金化而形成過(guò)飽和固溶體時(shí)的第二相溶化現(xiàn)象。大量微孿晶的形成也是合金材料組織的典型特征。
權(quán)利要求
1.一種金屬納米晶粒表面改性的處理方法，特別是一種用于交變載荷、滑動(dòng)摩擦磨損和微動(dòng)磨損條件下的高疲勞壽命工作表面的制備方法。其特征在于，首先通過(guò)對(duì)切削刀具前、后刀面工作角度與刃口幾何形狀的合理設(shè)計(jì)，增大金屬晶粒的擠壓與拉伸程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三剪切變形區(qū)(即工件加工表面層)金相組織的微晶細(xì)化與壓應(yīng)力場(chǎng)生成。通過(guò)控制切削變形區(qū)的冷卻條件，提高表層金屬的溫度場(chǎng)梯度，利用非平衡熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒長(zhǎng)大速度，從而獲得兼具納米尺度晶粒與高殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布的高疲勞壽命加工表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬納米晶粒表面改性的處理方法，其特征是，所述的工件表層可形成平均粒徑小于100nm的等軸形的超細(xì)晶粒組織，該類組織在透射電子顯微鏡中的衍射圖像將呈環(huán)狀分布，通過(guò)單獨(dú)晶界無(wú)序取向測(cè)量將能夠證實(shí)該類金屬的組織結(jié)構(gòu)以大角度晶界形式出現(xiàn)。多相合金中第二相的性質(zhì)與形態(tài)將對(duì)本方法形成的超細(xì)晶顯微組織產(chǎn)生極大影響。當(dāng)合金原始組織中出現(xiàn)比基體強(qiáng)度更大的第二相顆粒時(shí)，在集中剪切形變時(shí)可出現(xiàn)第二相顆粒的破碎和過(guò)飽和固溶體(因機(jī)械合金化引發(fā))的第二相溶化現(xiàn)象。大量微孿晶的形成也是合金材料細(xì)織的典型特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬納米晶粒表面改性的處理方法，其特征是，所述的表層組織的塑性變形與流動(dòng)調(diào)節(jié)工藝是指，通過(guò)刀具材料與幾何參數(shù)的合理選擇，獲得實(shí)現(xiàn)表面納米化處理的加工工具。刀具幾何參數(shù)合理與否的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)切削速度300m/min時(shí)，刀具能夠在不發(fā)生崩刃情況下穩(wěn)定切削調(diào)質(zhì)45鋼20分鐘以上。對(duì)于金屬材料而言，主偏角需控制在45°～75°之間，前角控制在5°～15°之間，后角控制在-7°～5°之間。刀尖圓弧半徑則需控制在2～3.5mm范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬納米晶粒表面改性的處理方法，其特征是，所述的集中熱源的峰值強(qiáng)度與移動(dòng)速度控制工藝是指，通過(guò)增加熱源移動(dòng)速度和成比例增大熱功率，確保加工表面區(qū)域材料組織加熱到超過(guò)工件材料原始組織相變溫度AC3以上。該熱效應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度與熱源移動(dòng)速度成比例增加，其寬度趨近一個(gè)極限值(純金屬材料為0.1～0.3mm，合金鋼材料為0.2～0.5mm)。當(dāng)熱源移動(dòng)速度超過(guò)一定范圍后(純金屬材料為560～770m/min，合金鋼材料為180～240m/min)，工件表面的熱傳播將主要在垂直于熱源運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行。此時(shí)，需控制切削深度與進(jìn)給量的比例不能超過(guò)2～5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬納米晶粒表面改性的處理方法，其特征是，所述的表層變形區(qū)的溫度場(chǎng)變化梯度提高工藝是指，根據(jù)不同工件材料原始相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合理的冷卻劑類型，控制晶粒成核速率，并抑止晶粒長(zhǎng)大速度。對(duì)于高硬度金屬材料，油基冷卻劑較理想，對(duì)于高韌性金屬材料，則選擇水基冷卻劑。為確保冷卻劑直接作用于切削變形區(qū)，需要保證冷卻劑的出口壓力需控制在0.3～0.8MPa之間，流量控制在220～480L/min之間。若使用液氮對(duì)合金鋼材料進(jìn)行冷卻，出口壓力需控制在0.6～1.2MPa之間，流量控制在30～150L/min之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬納米晶粒表面改性的處理方法，特別是一種用于交變載荷、滑動(dòng)摩擦磨損和微動(dòng)磨損條件下的高疲勞壽命工作表面的制備方法。本發(fā)明首先對(duì)機(jī)械加工中切削刀具的主要工作角度與刃口幾何形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，增大金屬晶粒的擠壓與拉伸的程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三剪切變形區(qū)(即工件加工表面層)金相組織的微晶細(xì)化與壓應(yīng)力場(chǎng)生成。之后，根據(jù)工件材料原始組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)切削用量進(jìn)行優(yōu)化選擇，控制加工表面上瞬態(tài)熱源的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，控制切削變形區(qū)的冷卻條件，提高表層金屬的溫度場(chǎng)梯度，利用非平衡熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制晶粒成核速率，并抑止晶粒長(zhǎng)大速度，從而獲得兼具納米尺度晶粒與高殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布的高疲勞壽命加工表面。
文檔編號(hào)C21D1/56GK1962895SQ20061016810
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者龍震海, 王西彬, 趙文祥, 龐思勤 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)