一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法技术

本发明专利技术提供一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法。本发明专利技术提供的方法工艺稳定、操作简单，可以在板状金属材料表面制备出微观形貌为层片状纳米晶粒的结构，从金属材料表层向材料内部方向依次呈现出纳米晶粒、亚微米晶粒、微米晶粒、原始粗晶粒片层状梯度分布的特征，在保持金属材料的塑性和韧性的同时有效提高了金属材料的强度和硬度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料表面处理
，尤其涉及一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法。
技术介绍
在金属表面制备层片状梯度纳米结构是一种金属材料改性方法，是经过对金属表面进行处理在金属材料表面分布一层微观组织特征为层片状晶粒形貌的梯度纳米结构，这种改性方法能够显著提高金属材料的强度，并能同时保持金属材料原有的塑性不产生显著降低，实现金属材料强度与塑性的完美匹配。目前在金属表面制备梯度纳米结构的方法主要包括基于剧烈塑性变形导致晶粒细化的方法和基于机械研磨或高速喷丸冲击的方法。其中，剧烈塑性变形导致晶粒细化的方法一般包括高压扭转法、等通道挤压和累积叠轧工艺，这类方法虽然可以显著细化晶粒，提高金属材料的强度，但也存在明显的局限性：首先，这类方法由于受到剧烈塑性变形过程中位错累积与湮灭的动态平衡，晶粒的细化存在临界值，一般金属晶粒细化的临界尺寸大约在200nm，强度大约在1000MPa，无法实现强度的进一步提高；其次，该类方法获得的亚微米晶材料由于可动位错密度较低，样品的均匀塑性很低低。基于机械研磨或高速喷丸冲击的方法是通过表面塑性应变的不断累积，从而在金属材料表面制备出梯度纳米结构，综合了梯度纳米结构的强度和心部粗晶材料的
塑性，实现了强度与塑性的完美匹配，但该类方法制备的纳米材料晶粒为等轴状，在热稳定性硬度等方面均不如层片状梯度纳米结构。现有技术中也公布了一些在金属表面制备梯度纳米结构的方法，其中CN103540727A公布了一种利用塑性变形制备金属二维纳米层片结构的方法，CN1438332公布了一种金属表面超声速喷丸强化方法，上述技术均无法获得层片状的梯度纳米结构组织，同时具备较好的硬度和塑性。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，包括：(a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；(b)将所述板状金属件安装在卡具上，将所述卡具安装到数控车床的三抓卡盘上，同时将带有钨钴合金球的滚动碾压装置固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的转速，使所述卡具带动所述板状金属件以350-500r/min的转速旋转；(c)使所述钨钴合金球对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合金球与所述板状金属件表面间距离,使所述钨钴合金球与所述板状金属件表面相切；(d)将所述钨钴合金球压入所述板状金属件中10-100μm，然后沿所述板状金属件表面中心至边缘的直线方向以0.01-0.04mm/r的速度滚动碾压1-5遍；(e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球对所述板状金属件一侧表面全部区域的滚动碾压；(f)调换卡具上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两侧表面层片状梯度结构的制备。进一步的，将所述钨钴合金球压入所述板状金属件中20-30μm，并保持此压入深度不变，从所述板状金属件一侧表面的中心以0.02-0.03mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属件的边缘；使所述钨钴合金球复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金球压入所述板状金属件中50-60μm，并保持此压入深度不变，以0.02-0.03mm/r的速度沿原碾压轨迹滚动碾压。进一步的，所述步骤(a)包括对所述板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述板状金属件浸入400-450℃的改性液中浸泡6-8h。进一步的，所述改性液包括如下重量份数的各成分：二氧化硅5-8聚合铝1-2碳酸铵0.5-1磷酸胆碱0.5-1。进一步的，所述步骤(d)-(f)中采用油性降温剂对所述钨钴合金球与所述板状金属件的接触面进行喷雾处理。进一步的，所述方法还包括将经过步骤(f)处理后的所述板状金属件在200-240℃的羟基甲苯磺酰碘苯的浓度为0.5-1.5mol/L以及对甲苯磺酸的浓度为0.5-1mol/L的甲醇溶液中浸泡1-2h；然后在0.1-0.5mol/L的碳酸钠溶液中浸泡10-20min；再用蒸馏水冲洗后烘干即可。进一步的，所述卡具包括底板，所述底板的一侧设有固定装置，所述底板的另一侧设有夹紧柱。进一步的，所述滚动碾压装置包括安装座、与所述安装座连接的球托和位于球托内的钨钴合金球，所述球托包括与所述安装座连接的承托座以及与所述承托座连接的夹紧环，所述承托座内壁从连接夹紧环的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环的内壁从连接承托座的一侧起逐渐收拢，所述夹紧环远离承托座一端的内壁直径小于所述钨钴合金球的
直径，所述夹紧环远离承托座一端至所述承托座远离所述夹紧环一端内壁之间的距离小于所述钨钴合金球的直径。进一步的，所述固定装置为真空吸盘。进一步的，所述卡具上还设有与所述真空吸盘连接的真空泵。进一步的，所述夹紧柱上设有防滑纹。进一步的，所述滚动碾压装置上还设有喷雾装置。进一步的，所述安装座与所述球托间通过螺纹连接。本专利技术提供的方法工艺稳定、操作简单，可以在板状金属材料表面制备出微观形貌为层片状纳米晶粒的结构，从金属材料表层向材料内部方向依次呈现出纳米晶粒、亚微米晶粒、微米晶粒、原始粗晶粒片层状梯度分布的特征，在保持金属材料的塑性和韧性的同时有效提高了金属材料的强度和硬度。附图说明图1为本专利技术实施例12的卡具的结构示意图；图2为本专利技术实施例13的滚动碾压装置的结构示意图；图3为本专利技术实施例13的滚动碾压装置的剖视图；图4为本专利技术实施例14的卡具的结构示意图；图5为本专利技术实施例15的滚动碾压装置的结构示意图；图6为采用本专利技术实施例3的方法处理的板状退火态纯镍样品层片状结构的电镜扫描图；其中：1卡具，2滚动碾压装置，3底板，4固定装置，5夹紧柱，6安装座，7球托，8钨钴合金球，701承托座，702夹紧环，9真空吸盘，10防滑纹，11喷雾装置。具体实施方式实施例1一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：(a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；(b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以350r/min的转速旋转；(c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面间距离,使所述钨钴合金球8与所述板状金属件表面相切；(d)将所述钨钴合金球8压入所述板状金属件中10μm，然后沿所述板状金属件表面中心至边缘的直线方向以0.01mm/r的速度滚动碾压1遍；(e)重复步骤(c)-(d)，实现所述钨钴合金球8对所述板状金属件一侧表面全部区域的滚动碾压；(f)调换卡具1上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两侧表面层片状梯度结构的制备。实施例2一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，所述方法包括：(a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；(b)将所述板状金属件安装在卡具1上，将所述卡具1安装到数控车床的三抓卡盘上，同时将带有钨钴合金球8的滚动碾压装置2固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的转速，使所述卡具1带动所述板状金属件以500r/min的转速旋转；(c)使所述钨钴合金球8对准所述板状金属件一侧表面的中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，其特征在于，所述方法包括：(a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；(b)将所述板状金属件安装在卡具(1)上，将所述卡具(1)安装到数控车床的三抓卡盘上，同时将带有钨钴合金球(8)的滚动碾压装置(2)固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的转速，使所述卡具(1)带动所述板状金属件以350‑500r/min的转速旋转；(c)使所述钨钴合金球(8)对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合金球(8)与所述板状金属件表面间距离,使所述钨钴合金球(8)与所述板状金属件表面相切；(d)将所述钨钴合金球(8)压入所述板状金属件中10‑100μm，然后沿所述板状金属件表面中心至边缘的直线方向以0.01‑0.04mm/r的速度滚动碾压1‑5遍；(e)重复步骤(c)‑(d)；(f)调换卡具(1)上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)‑(e)，完成板状金属件两侧表面层片状梯度结构的制备。

【技术特征摘要】
1.一种在板状金属表面制备层片状梯度结构的方法，其特征在于，所述方法包括：(a)对待加工板状金属件进行加工前预处理；(b)将所述板状金属件安装在卡具(1)上，将所述卡具(1)安装到数控车床的三抓卡盘上，同时将带有钨钴合金球(8)的滚动碾压装置(2)固定安装在数控车床的刀架座上，调整数控车床的转速，使所述卡具(1)带动所述板状金属件以350-500r/min的转速旋转；(c)使所述钨钴合金球(8)对准所述板状金属件一侧表面的中心，并调整所述钨钴合金球(8)与所述板状金属件表面间距离,使所述钨钴合金球(8)与所述板状金属件表面相切；(d)将所述钨钴合金球(8)压入所述板状金属件中10-100μm，然后沿所述板状金属件表面中心至边缘的直线方向以0.01-0.04mm/r的速度滚动碾压1-5遍；(e)重复步骤(c)-(d)；(f)调换卡具(1)上的板状金属件的加工表面，重复步骤(c)-(e)，完成板状金属件两侧表面层片状梯度结构的制备。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)的具体过程为：将所述钨钴合金球(8)压入所述板状金属件中20-30μm，并保持此压入深度不变，从所述板状金属件一侧表面的中心以0.02-0.03mm/r的速度沿直线方向滚动碾压至所述板状金属件的边缘；使所述钨钴合金球(8)复位到所述板状金属件一侧表面的中心，再将所述钨钴合金球(8)压入所述板状金属件中50-60μm，并保持此压入
\t深度不变，以0.02-0.03mm/r的速度沿原碾压轨迹滚动碾压。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括对所述板状金属件进行去污去油处理和改性处理，所述改性处理为将所述板状金属件浸入400-450℃的改性液中浸泡6-8h。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：何东，李强，阎昱，杨明博，管延智，阳振峰，
申请(专利权)人：何东，
类型：发明
国别省市：北京;11