一种金属材料表层组织超细化处理方法
【专利摘要】本发明提供的是一种金属材料表层组织超细化处理方法，具体涉及一种金属表层组织超细化的高速加工方法，在金属表层形成纳米尺寸、亚微米尺寸的超细晶粒组织结构。该处理方法的原理是压缩和扭转同时进行,既实现了一定的扭转变形,又实现了简单压缩变形，从而导致金属材料表面剧烈塑性变形，使表面晶粒通过位错增殖、运动、湮灭、重排等过程细化至纳米尺寸；该处理方法装置由工件夹紧机构，旋压冲头，进给机构和冷却机构组成。本发明采用高速旋转同时又具有一定压力的旋转冲头分别在夹紧的金属板料表面做横向和纵向的进给运动。本发明的优点是：处理方法简单，适用性强，处理后表面质量高，在基础研究和工程应用方面均有十分广阔的前景。
【专利说明】一种金属材料表层组织超细化处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属材料表层组织超细化处理方法，特别提供了一种金属板材表层组织超细化的高速加工方法，在金属表层形成纳米尺寸、亚微米尺寸的超细晶粒组织结构。
【背景技术】
[0002]纳米材料是由结构尺寸小于IOOnm的亚结构组成的单相或多相晶体材料，由于其晶界占有比例较大，所以纳米材料常常具有优越于普通多晶体材料的优异性能，如:高强度，高扩散系数，良好的电学、磁学等性能。
[0003]目前，纳米结构材料领域的研究主要针对块体纳米结构材料的合成、制备、结构特征、热稳定性等方面。但已有的气相冷凝、机械球磨等方法难以消除所制备材料中的孔洞、污染等缺陷的不良影响；而等通道挤压(ECAP)，叠层轧制接合(ARB)等严重塑性变形方法弥补了前述方法的缺陷，但设备损耗大，工作效率低，成本高；处理的材料其形状、尺寸都有很大的局限性，难以实现工业应用。
[0004]在实际工作过程中，材料的失效大多发生在材料的表面，因此材料表面结构性能的好坏直接影响工程金属材料的综合性能指标。将常规工程材料表面层微观结构尺寸细化至纳米、亚微米尺度,利用纳米结构材料的优异结构性能来改善材料表面的结构、性能,尤其是疲劳性能，腐蚀性能和摩擦、磨损性能等，从而提高工程材料的综合性能及服役行为。[0005]现有的金属材料表面处理的方法主要有:(1)表面涂层。利用图层和沉淀技术如PVD、CVD、溅射镀膜、电镀等方法在基体材料表面生成一层纳米结构层。这种技术的关键是涂层与基体之间以及涂层粒子之间的结合力，最容易也最常发生的失效是涂层的剥离或脱落。此外，设备投资较大，生产成本较高，不适于数量巨大的工程金属材料处理；(2)表面机械处理法。利用表面机械研磨处理技术，在外加载荷的重复作用下，材料表面的晶粒组织经过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐碎化至纳米量级。但是目前这种处理技术得到的样品表面粗糙度较大，无法满足实际应用的要求，限制了其在工业中的推广，处理的样品形状也有很大的局限性。此外，操作程序比较繁琐，研磨使用的托盘和球丸消耗大，导致成本增加。
【发明内容】
[0006]本发明专利的目的在于提供一种新型金属板材表面高速变形处理方法，其投资少，操作简单，工业上易于实现，用其制备的纳米、亚微米结构层不易脱落，并且还可以通过控制各种条件来处理复杂形状的工件，同时保证较低的表面粗糙度，还能够使用比较成熟的机械加工冷却技术，从而为全面提高工程金属材料的表面性能提供可能。
[0007]本发明专利的技术方案是:
本发明提供了一种新型金属板材表面高速变形处理方法:该处理方法采用高压扭转工艺(High Press Torsion，HPT)，其原理是压缩和扭转同时进行，并在选好一定工艺参数条件下，就可以变摩擦阻力为摩擦动力，从而既实现了一定的扭转变形，又实现了简单压缩变形，从而导致金属材料表面严重塑性变形，使表面晶粒通过位错增殖、运动、湮灭、重排等过程细化至纳米尺寸，在变形过程中不易失稳，可以获得比较大的应变量；该处理方法装置由工件夹紧机构，旋压冲头，进给机构和冷却机构组成。本发明采用做高速旋转同时又具有一定压力的旋转冲头分别在夹紧的金属板料表面做横向和纵向的进给运动，选择不同的冷却介质进行冷却来控制处理时金属材料表面的温度。其中，旋转冲头的转速优选范围为600rpm-lOOOrpm,下压力优选范围为I一5GPa ;冷却介质可以使用高压油雾。
[0008]本发明具有如下优点
1.处理方法简单。本发明利用高压扭转工艺，处理方法简单，易于控制好变形参数和变形温度。对目前现有的传统机床做一定的改进，优化工艺参数和变形温度，即可得到表面细化结构层。
[0009]2.适用性强。本发明是在不改变材料的化学成分的情况下，只通过调整材料的微观结构来强化金属及合金。
[0010]3.处理后表面质量高。本方法的处理方式保证了整个表面处理的均匀性，从而得到较低的表面粗糙度，变形层厚度增加，并且处理完成后很容易通过各种常规的工业手段对表面进行修整。
[0011]本发明是通过对金属材料的表面进行高压扭转处理，在材料表面形成一定厚度的纳米、亚微米组织结构，而保持材料的表层与整体成分不变。晶粒尺寸分布:沿深度方向，表层一定厚度内为纳米、亚微米尺寸的细化结构、变形组织层和基体的粗大晶粒组织。由于材料的破坏起源于材料的表面，因此表面结构的优化有利于材料基本性能的提闻，如在抑制裂纹扩展方面，粗大晶粒由于细小晶粒。这样细小晶粒表层与粗大晶粒基体的理想组合，对延长材料的使用寿命更加有利。总之，本发明将纳米材料的优越性能与工程金属材料相结合，给传统的金属材料赋予特殊性能，这在基础研究和工程应用方面均有十分广阔的前景。
【专利附图】
【附图说明】:
下面是结合附图和实施例对本发明`的具体实施方案进行详细地说明。
[0012]图1为本发明处理方法所采用的装置结构示意图。
[0013]图2为本发明的旋压冲头I示意图。
[0014]上述图中的标记为:
图1为本发明处理方法所采用的装置结构示意图的1.旋压冲头，2.工件夹紧机构，3.工件(金属板材)，4.油雾冷却喷嘴,5.横向导轨,6.纵向导轨,7.旋压冲头运行轨迹；
图2为本发明的旋压冲头I示意图的1.冲头，2.夹紧机构。
【具体实施方式】
[0015]如图1所示，本发明处理方法所采用的装置由1.旋压冲头，2.工件夹紧机构，3.工件(金属板材)，4.油雾冷却喷嘴，5.横向导轨，6.纵向导轨组成，其工作过程如下:本发明采用做高速旋转同时又具有一定压力的旋转冲头1，在旋转冲头夹持及进给机构2的带动下，在被夹紧机构固定的工件5的表面上，分别作横向和纵向进给运动，选择不同的冷却介质进行冷却来控制处理时金属材料表面的温度，冷却喷嘴3喷出的高压油雾作为冷却介质4。其中，旋转冲头的转速优选范围为600rpm到lOOOrpm，下压力优选范围为I到5GPa。
【权利要求】
1.一种金属材料表层组织超细化处理方法，其特征在于:该处理方法采用高压扭转工艺(High Press Torsion，HPT)，其原理是压缩和扭转同时进行，并在选好一定工艺参数条件下，就可以变摩擦阻力为摩擦动力，从而既实现了一定的扭转变形，又实现了简单压缩变形，从而导致金属材料表面严重塑性变形，使表面晶粒通过位错增殖、运动、湮灭、重排等过程细化至纳米尺寸，在变形过程中不易失稳，可以获得比较大的应变量。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料表层组织超细化处理方法，其特征在于:该处理方法装置由工件夹紧机构，旋压冲头，进给机构和冷却机构组成，本发明采用做高速旋转同时又具有一定压力的旋转冲头分别在夹紧的金属板料表面做横向和纵向的进给运动，选择不同的冷却介质进行冷却来控制处理时金属材料表面的温度。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料表层组织超细化处理方法，其特征在于:旋转冲头的转速优选范围为600rpm到lOOOrpm，下压力优选范围为I GPa到5GPa ;冷却介质可以使用高压 油雾。
【文档编号】C21D7/04GK103695617SQ201310668937
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月7日 优先权日:2013年12月7日
【发明者】徐淑波, 李振东, 王桂青, 赵中魁, 任国成 申请人:山东建筑大学