專利名稱：一種金屬材料表面突體滾壓處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料表面通過變形改變物理及化學(xué)性能的加工處理方法，特別是一種金屬材料表面突體滾壓處理方法。
背景技術(shù)：
利用表面加工技術(shù)可使金屬零件表面的晶粒細(xì)化，并有可能達(dá)到納米尺寸。借助壓縮空氣將小尺寸的彈丸高速噴射在金屬零件表面是一種傳統(tǒng)的處理方法，材料科學(xué)技術(shù)雜志(J.Mater.Sci.Technol.1999年第15卷第3期193頁)論文中介紹了“超聲噴丸”的方法，，用超聲波發(fā)生器的高頻率(20KHz)振動(dòng)使直徑約2毫米的硬質(zhì)小球碰撞金屬試樣的表面，使其表面納米化。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)01122981“形成納米結(jié)構(gòu)處理方法和專用處理設(shè)備”，公開了一種金屬材料表面形成納米結(jié)構(gòu)處理方法和專用處理設(shè)備，在確定的30秒-1300秒持續(xù)時(shí)間，由空氣壓縮機(jī)或渦輪機(jī)或超聲波發(fā)生器使完全球狀的直徑30um-3mm的彈丸，以3-100米/秒的速度對(duì)待處理金屬零件的全部表面進(jìn)行噴射處理，形成納米結(jié)構(gòu)，并可在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行滲碳、催化、離子儲(chǔ)存等物理化學(xué)處理。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)01128225“超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法”，公開了一種利用壓縮氣體攜帶硬粒通過超音速噴嘴，高速運(yùn)動(dòng)轟擊金屬材料表面，噴射距離5-50mm，氣壓0.4-30MPa，氣體流量10-30g/S，硬質(zhì)微粒直徑50um-200um，處理后的納米層厚度可達(dá)0.5-50um。
以上技術(shù)都是通過丸粒噴射轟擊技術(shù)制備自表面納米層的金屬表面處理方法，它在滿足廣泛工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方面以及處理的工藝控制方面存在不足之處設(shè)備復(fù)雜，要求高，丸粒在噴射運(yùn)行中，其運(yùn)動(dòng)軌跡受重力的影響，難以在空間全位置上實(shí)施處理；對(duì)于較復(fù)雜的內(nèi)外表面的加工難以實(shí)現(xiàn)；對(duì)同一加工面不同部位實(shí)施差異化處理和不同尺寸及能量丸粒的交替應(yīng)用的控制有困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服上述丸粒噴射處理方法的不足之處，提供一種適合于廣泛工業(yè)應(yīng)用、可控性好的金屬材料表面突體滾壓處理方法，從而獲得金屬材料表面納米化、自表面合金化的處理結(jié)果。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，包括如下步驟1、用表面分布有若干突體的滾壓模與被加工工件接觸，2、二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，滾壓模上的突體壓入工件表面，使工件表面塑性變形，3、重復(fù)步驟2，直至工件表面整體塑性變形若干次；處理過程中工藝參數(shù)為突體壓入工件表面的部分為球面，其直徑為0.1mm-100mm，壓入工件表面的深度為0.002mm-3mm，滾壓的塑性形變速率為每秒10-105，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為10-2秒—102秒，滾壓環(huán)境氣壓為10-3Pa—大氣壓。
本發(fā)明的有益效果如下采用滾壓的加工處理方法，加工設(shè)備主要基礎(chǔ)是現(xiàn)有的壓力加工設(shè)備，技術(shù)成熟，可靠性高，工藝參數(shù)可控性好，適合于廣泛工業(yè)應(yīng)用，分布在滾壓模上的突體在滾壓時(shí)基本不受重力影響，易于在工件空間全位置上實(shí)施處理，可以用突體尺寸不同的滾壓模對(duì)較復(fù)雜的內(nèi)外表面同時(shí)或交替作用，或?qū)ν患庸っ娌煌课粚?shí)施差異化處理，包括壓入工件表面的深度不同，通過不同的工藝條件控制，可以獲得金屬材料表面納米化、自表面合金化(在工件表面與突體之間加入特定物質(zhì))的處理結(jié)果。1平方米加工表面完成一次滾壓塑性變形的時(shí)間是指突體滾壓處理中，壓入金屬的突體球面上與原始金屬表面相接觸的球冠底圓面積的累計(jì)值達(dá)到正處理的這部分金屬表面的表面積時(shí)所需的滾壓時(shí)間。在多道次金屬塑性加工中，道間的間隙時(shí)間是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。本專利中所述的1平方米加工表面完成一次滾壓塑性變形的時(shí)間所表示的間隙時(shí)間只是一種對(duì)于連續(xù)塑性加工所取的平均值，它便于工程上的相對(duì)計(jì)量。滾壓環(huán)境氣壓為10-3Pa—大氣壓，其作用是防止處理過程中工件表面受氣體污染，以及對(duì)于運(yùn)動(dòng)的工件表面對(duì)流換熱的抑制(升溫及保溫)或利用(快速降溫和保溫)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例涉及的具體滾壓模式示意圖。
圖2為圖1中A部放大示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)為1-滾壓模，11-突體，2-工件。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。但是本發(fā)明不限于所給出的例子。
本發(fā)明實(shí)施例1是對(duì)20鋼環(huán)形工件的外圓柱面的表面進(jìn)行滾壓納米晶化處理。
原始狀態(tài)退火態(tài) 平均晶粒尺寸26um 工件尺寸Φ200×20×50處理過程及控制條件清潔工件表面——滾壓室氣壓6.67×10-2Pa——三個(gè)滾壓模處理，預(yù)滾壓處理工藝兩個(gè)滾壓模上分布有直徑2mm的突體，它們壓入工件的深度為0.02mm，另一個(gè)滾壓模上分布著20mm直徑的突體，它壓入工件的深度為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒7×103，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為13秒，以此工藝處理45秒(實(shí)際工件表面積為0.0314m2，其全表面滾壓一次的時(shí)間為0.4秒)——滾壓處理工藝分布有2mm直徑突體的兩滾壓模壓入工件深度增至0.1mm，分布有20mm直徑突體的另一滾壓模壓入工件深度仍為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒2×104，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為1秒，以此工藝處理210秒——滾壓模與工件脫離——滾壓室通大氣——10秒的快冷——停機(jī)——得到平均晶粒尺寸48nm，深度0.1mm的納米晶層。
本發(fā)明實(shí)施例2是對(duì)Tu2純銅環(huán)形工件的外圓柱面的表面進(jìn)行滾壓納米晶化處理。
原始狀態(tài)退火態(tài) 平均晶粒尺寸42um 工件尺寸Φ200×20×50處理過程及控制條件清潔工件表面——滾壓室氣壓1Pa——三個(gè)滾壓模處理，預(yù)滾壓處理工藝其中兩個(gè)滾壓模上分布有直徑2mm的突體，它們壓入工件的深度為0.02mm，另一個(gè)滾壓模上分布著20mm直徑的突體，它壓入工件的深度為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒7×103，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為13秒，以此工藝預(yù)滾壓處理20秒——滾壓處理工藝分布有2mm直徑突體的兩滾壓模壓入工件深度增至0.1mm，分布有20mm直徑突體的另一滾壓模壓入工件深度仍為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒2×101,對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為1秒(實(shí)際工件表面積為0.0314m2，其全表面滾壓塑性變形一次的時(shí)間為0.031秒)，以此工藝滾壓處理180秒——具有2mm直徑突體的滾壓模與工件脫離，具有20mm直徑突體的滾壓模壓入工件深度改為0.002mm，滾壓處理3秒——停機(jī)——得到平均晶粒尺寸53nm，深度0.11mm的納米晶層。
例1和例2表明，應(yīng)用本發(fā)明方法可以得到金屬工件表面納米化的晶層，工件制備納米晶層的滾壓處理時(shí)間范圍為10-105秒。
金屬材料表面突體滾壓處理制備納米晶層所需的具體時(shí)間應(yīng)按要求的平均晶粒尺寸、結(jié)合所處理的工件及處理的工藝特點(diǎn)由試驗(yàn)確定。通常被處理金屬表面的平均晶粒尺寸，在不施加任何溫度控制措施條件下，隨處理進(jìn)程的自然變化規(guī)律有三個(gè)時(shí)間段首先晶粒尺寸快速下降至納米晶，這是一種非等軸的具有冷變形特征的晶粒；然后納米晶的平均晶粒尺寸平穩(wěn)下降，晶粒呈等軸化；達(dá)到最小平均晶粒尺寸后，納米晶的平均晶粒尺寸又不斷增大。
本發(fā)明實(shí)施例3是對(duì)Tu2純銅環(huán)形工件的外圓柱面的表面進(jìn)行滾壓鎳合金化處理。
原始狀態(tài)外圓柱面鍍鎳的退火Tu2純銅 鍍鎳層厚10um 工件尺寸Φ200×20×50處理過程及控制條件清潔工件表面——滾壓室氣壓1Pa——三個(gè)滾壓模處理，兩滾壓模上分布有直徑2mm的突體，另一滾壓模上分布有直徑20mm的突體——預(yù)滾壓處理工藝滾壓的塑性形變速率為每秒1×104，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為4秒，分布有直徑2mm突體的兩滾壓模壓入工件深度為0.05mm，另一分布有直徑20mm突體的滾壓模壓入工件深度為0.005mm，預(yù)滾壓處理30秒——滾壓處理工藝具有2mm直徑突體的兩滾壓模壓入工件深度增至0.1mm，另一滾壓模的壓入工件深度仍為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒2×104，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為1秒(實(shí)際工件處理表面一次滾壓塑性變形時(shí)間為0.031秒)，滾壓處理250秒——具有2mm直徑突體的滾壓模與工件脫離，具有20mm直徑突體的滾壓模壓入工件深度改為0.002mm，滾壓處理3秒——滾壓室通大氣——停機(jī)——得到橫截面色彩明顯變化的銅—鎳合金層。
本發(fā)明實(shí)施例4是用外來相Al2O3滲入DT3純鐵對(duì)環(huán)形工件的外圓柱面的表面進(jìn)行滾壓合金化處理。
原始狀態(tài)外圓柱面上涂布有Al2O3顆粒的退火純鐵 Al2O3顆粒尺寸≤50nm 工件尺寸Φ200×20×50處理過程及控制條件涂布有Al2O3顆粒的工件外圓柱面——滾壓室氣壓3×10-2Pa——三個(gè)滾壓模處理，兩滾壓模上分布有直徑2mm的突體，另一滾壓模上分布有直徑20mm的突體——預(yù)滾壓工藝滾壓的塑性形變速率為每秒4×102，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為240秒，分布有直徑2mm突體的兩滾壓模壓入工件深度為0.05mm，另一分布有直徑20mm突體的滾壓模壓入工件深度為0.005mm，預(yù)滾壓處理2400秒——滾壓處理工藝具有2mm直徑突體的兩滾壓模壓入工件深度增至0.1mm，另一滾壓輪的壓入工件深度仍為0.005mm，滾壓的塑性形變速率為每秒2×104，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為1秒(實(shí)際工件處理表面一次滾壓塑性變形時(shí)間為0.031秒)，滾壓處理180秒——具有2mm直徑突體的滾壓模與工件脫離，具有20mm直徑突體的滾壓模壓入工件深度改為0.002mm，滾壓處理10秒——滾壓室通大氣——停機(jī)——得到表層彌散分布納米Al2O3的合金層。
例3和例4表明，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滾壓模與工件表面之間存在有自合金化所需的特定物質(zhì)，可以是涂鍍層(例如鍍鎳、涂布Al2O3顆粒)、覆層等形式，它們作為自表面合金化組元或外來相，在本發(fā)明滾壓處理過程中進(jìn)入工件表層中，形成合金化層。工件表面制備合金化層的滾壓處理時(shí)間范圍為5-105秒。
在本發(fā)明處理方法中，可以是一個(gè)工件對(duì)應(yīng)一個(gè)及其以上數(shù)量的滾壓模，也可以是一個(gè)滾壓模對(duì)應(yīng)一個(gè)及其以上數(shù)量的工件。前一種情況下，在總的工藝條件范圍內(nèi)，兩個(gè)以上的滾壓模之間突體尺寸可以相同，也可以不同，突體壓入工件表面的深度可以相同，也可以不同，兩個(gè)以上滾壓?？梢酝瑫r(shí)滾壓，也可以依次滾壓，還可以同時(shí)滾壓與依次滾壓交替進(jìn)行。
在本發(fā)明處理方法中，金屬工件表面的溫度也是一個(gè)重要參量。它決定于1平方米加工表面完成一次滾壓塑性變形的時(shí)間、滾壓塑性變形的速率、滾壓處理時(shí)間、附加的加熱條件及傳、導(dǎo)熱的冷卻狀況等。盡管低的表面溫度也能達(dá)到突體滾壓制備表面納米晶層與表面合金化的目的，為了有利于減少滾壓中金屬材料的開裂傾向及使已有的裂紋鍛焊合與熱壓焊合，通常選擇較高的表面處理溫度。在金屬材料表面突體滾壓納米化處理的方法中，晶粒的急劇長(zhǎng)大是限制采用更高滾壓表面溫度的最主要因素。由于影響晶粒急劇長(zhǎng)大溫度的因素是多方面的，包括金屬材料的類別、材料的組分、處理過程中完成1平方米表面一次滾壓塑性變形的時(shí)間與滾壓處理的形變速率以及滾壓深度、滾壓終結(jié)后對(duì)處理表面的冷卻能力等，以及在工程上難以準(zhǔn)確測(cè)量真空中運(yùn)動(dòng)工件表面溫度(例如室溫至700℃)，所以采用綜合工藝控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面溫度的間接控制。因此為避免過高的溫度使最終的晶粒尺寸無法控制，處理過程中工件表面的溫度應(yīng)控制在使金屬晶粒發(fā)生急劇長(zhǎng)大的溫度以下。
在金屬材料表面滾壓自合金化處理的方法中，強(qiáng)調(diào)保持高的表面溫度是因?yàn)樗欣诤辖鸹^程的順利、快速進(jìn)行。它的高溫限制因素主要是自合金化表層發(fā)生了不希望的相變或滾壓模材料的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是包括如下步驟(1)、用表面分布有若干突體的滾壓模與被加工工件接觸，(2)、二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，滾壓模上的突體壓入工件表面，使工件表面塑性變形，(3)、重復(fù)步驟(2)，直至工件表面整體塑性變形若干次。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是處理過程中工藝參數(shù)為突體壓入工件表面的部分為球面，其直徑為0.1mm-100mm，壓入工件表面的深度為0.002mm-3mm，滾壓的塑性形變速率為每秒10-105，對(duì)1平方米加工表面完成一次塑性變形的時(shí)間為10-2秒-102秒，滾壓環(huán)境氣壓為10-3Pa—大氣壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是處理過程中一個(gè)工件對(duì)應(yīng)一個(gè)及其以上數(shù)量的滾壓模，也可以是一個(gè)滾壓模對(duì)應(yīng)一個(gè)及其以上數(shù)量的工件，前一種情況下，在總的工藝條件范圍內(nèi)，兩個(gè)以上的滾壓模之間突體尺寸可以相同，也可以不同，突體壓入工件表面的深度可以相同，也可以不同，兩個(gè)以上滾壓模可以同時(shí)滾壓，也可以依次滾壓，還可以同時(shí)滾壓與依次滾壓交替進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是工件表面制備納米晶層的滾壓處理時(shí)間范圍為10-105秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是處理過程中工件表面的溫度應(yīng)控制在使金屬晶粒發(fā)生急劇長(zhǎng)大的溫度以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是工件表面制備合金化層的滾壓處理時(shí)間范圍為5-105秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或6所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滾壓模與工件表面之間存在有自合金化所需的特定物質(zhì)，它們作為自表面合金化組元，在滾壓處理過程中進(jìn)入工件表層中，形成合金化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或6所述的一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，其特征是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滾壓模與工件表面之間存在有自合金化所需的特定物質(zhì)，它們作為或外來相在滾壓處理過程中進(jìn)入工件表層中，形成合金化層。
全文摘要
一種金屬材料表面突體滾壓處理方法，包括如下步驟(1)用表面分布有若干突體的滾壓模與被加工工件接觸，(2)二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，滾壓模上的突體壓入工件表面，使工件表面塑性變形，(3)重復(fù)步驟(2)，直至工件表面整體塑性變形若干次。采用滾壓的加工處理方法，加工設(shè)備主要基礎(chǔ)是現(xiàn)有的壓力加工設(shè)備，技術(shù)成熟，可靠性高，工藝參數(shù)可控性好，適合于廣泛工業(yè)應(yīng)用，通過不同的工藝條件控制，可以獲得金屬材料表面納米化、自表面合金化的處理結(jié)果。
文檔編號(hào)B23P9/04GK1714991SQ20041004109
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2004年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者周柏森, 周辰 申請(qǐng)人:周柏森, 周辰