一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置，属于纳米材料制备和材料表面改性处理及塑性加工领域。该装置主要包括轧辊、辊架、轧辊进退调整机构、辊架固定及进给机构、润滑冷却系统。该装置的轧辊进退调整机构具有每个轧辊单独进退微调和多个轧辊同步进退调整功能；该装置的多个轧辊同步进退调整利用蜗轮蜗杆和楔块，通过齿轮和螺杆传动，实现多个轧辊同步向构件进退。本发明专利技术能够在不同直径的大尺寸的轴类、管类、轧辊类、旋压芯模类等回转体金属构件的表层实现微纳米超细梯度组织，处理构件的表面质量高，且易于实现批量化、环境友好生产，制备效率高，有助于推动金属材料表面纳米技术实现工业规模化批量生产和应用。

Method and device for preparing micro nano gradient structure on surface of metal component

The invention relates to a method and a device for preparing micro nano gradient structure on the surface of metal component, belonging to the field of nanometer material preparation, material surface modification treatment and plastic processing. The device mainly comprises a roller, a roller frame, a roll advance and fall adjusting mechanism, a roller fixing and feeding mechanism, and a lubricating and cooling system. The device and roll adjustment mechanism with each roller and a plurality of separate and fine-tuning adjustments roll synchronization function; a plurality of rollers of the device using synchronous adjustments of worm gear and the wedge through the gear and screw drive, to achieve a number of synchronous roll to member retreat. The invention can metal components in large size shaft, different diameter pipe, roller, spinning mandrel and other types of rotating surface micro nano gradient microstructure, surface quality and high processing component, easy to realize mass production, environmental friendly, high preparation efficiency, help to achieve production and the application of industrial scale batch promote metal surface nanotechnology.

【技术实现步骤摘要】
一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置
本专利技术涉及一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置，特别是提供了一种在大尺寸金属构件表层，易于批量化、可实现工业规模化制备微纳米梯度组织的塑性变形新技术，属于纳米材料制备和材料表面改性处理及塑性加工领域。
技术介绍
在金属构件表层制备出微纳米梯度组织，可以获得强度和塑性相互匹配的力学性能，同时提高金属构件的疲劳性能。通过剧烈塑性变形技术制备金属材料表层微纳米组织的方法主要有：超声喷丸、高能喷丸、表面超声冲击处理(UltrasonicSurfaceProcessing和UltrasonicImpactPeening)、表面机械研磨处理、表面机械碾压处理、机械滚压处理、丝刷处理和滑动摩擦处理等。喷丸技术存在噪音大和粉尘污染环境等问题，表面超声冲击技术存在耗能、产生噪音及制备效率低等问题。中国专利技术专利“表面机械研磨的方法表面纳米化(申请号：99122670.4)”公开了一种采用刚性丸粒(钢球)对金属材料表面撞击，使基体表面产生了剧烈塑性变形，从而实现表面组织细化至纳米尺寸，这种方法处理工件表面粗糙度稍大，操作过程繁琐，实现连续和大规模生产的难度较大，难以满足实际应用要求，限制了其在工业中的推广。中国专利技术专利(申请号：200710011724.6、申请号：201210103152.5、申请号：201310033995.7及申请号：201310185394.8)公开了表面机械碾压的方法表面纳米化，采用一定曲率半径或球形刀具在高速旋转工件表面进行滚动，材料表层产生塑性变形，工件表层晶粒发生细化而形成纳米梯度组织；中国专利技术专利“一种对金属表面进行梯度纳米化的方法(申请号：201310185394.8)”公开了一种采用滚压刀具连续式进刀对金属表面进行若干道次滚压，然后在不退刀且总进刀量不变的条件下，在金属表面滚压若干道次，获得一层晶粒尺寸从纳米级到微米级呈梯度分布的组织细化层；这些方法处理工件的尺寸较小，制备效率低，实现工业规模化生产的难度较大。中国专利技术专利“金属表面纳米化的方法(申请号：200710037030.X)”、“一种在金属材料表面制备具有梯度纳米组织结构的方法(申请号：201210287363.9)”及中国技术专利“金属材料表面纳微米化的装置(专利申请号：200920025738.8)”和文献“PengfeiChui,KangningSun,ChangSun,etal.EffectEffectofsurfacenanocrystallizationinducedbyfastmultiplerotationrollingonmechanicalpropertiesofalowcarbonsteel.MaterialsandDesign.2012,35:754-759”公开了采用旋转圆柱形工具的端面(端面为平面、圆弧曲面或在平端面安装多个滚珠)压入金属表面，产生强烈的塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；中国专利技术专利“一种制备金属材料纳米结构表面层的方法及其装置(申请号：200910047694.3)”和文献“白涛、李东、关凯书.机械滚压对304L不锈钢组织和性能的影响.金属学报，2011,47(11)：1459-1463”公开了一种在旋转轴(轧辊)上安装能够自转的圆形滚轮(轧辊)对材料表面多次冲击发生剧烈塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；中国专利技术专利“摩擦滚压制备金属表面纳米层的方法(申请号：200810204386.2)”公开了一种采用支架带动滚轮在金属表面上滚压，使金属材料表面产生剧烈塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；这些方法处理工件表面的全过程并非连续成形，操作过程相对复杂，工件表面不够光洁，且制备效率低，实现连续化和规模化生产的难度较大。中国专利技术专利“一种利用滑动摩擦实现金属材料表面纳米化(申请号：201110277356.6)”和“采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法(申请号：200510110985.4)”公开了采用重复循环滑动摩擦使得金属材料表面晶粒尺寸细化至纳米尺寸，最终实现金属材料表面纳米化；中国专利技术专利(申请号：201110277356.6)采用硬质合金圆球在金属表面滑动，接触面积很小，摩擦表层的应变与应变率较大，表面产生严重塑性变形，细化晶粒，这种方法制备效率低，很难满足工业实际生产的要求；中国专利技术专利(申请号：200510110985.4)采用压力滑动轧制板垂直压入金属板的表面，金属板移动时压力滑动轧制板固定不动，使得金属板与压力滑动轧制板之间产生滑动和轧制，使得金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层，从塑性加工工艺角度而言，该专利应为板材拉拔，该方法材料表层主要受到压应力和拉应力，剪切应力的作用较小，金属表层的应变(剪切变形)较小，组织细化能力较弱，虽然这种方法能够实现大尺寸金属板材表面纳米化，但存在金属材料表面纳米化效率低和表面不够光洁等问题。上述在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法在工业规模化、高效批量化和环境友好生产方面仍然有许多的不足，难以满足实际工业化生产的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是，针对上述现有技术中的不足，提供一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，本专利技术能够处理大尺寸的轴类、管类、轧辊类、旋压芯模类等回转体金属构件的表面，在金属构件表面形成微纳米梯度组织，提高构件的综合性能。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，包括如下步骤：(1)将加工构件装卡到机床上，调整构件中心线，使得其中心线与机床主轴中心线重合；(2)将多个轧辊(3-6个，如三个或六个等)均匀分布，安装在辊架上，根据构件的直径确定轧辊的位置，通过轧辊进退微调机构精确调整轧辊位置，使得每个轧辊与构件之间的间隙相同；(3)采用塞尺测量轧辊到构件的间隙，调整轧辊进退调整机构刻度尺的位置，使得轧辊进退调整机构刻度尺显示的数据与塞尺测量数据一致；(4)设计道次压下量，并采用多个同步轧辊进退调整机构，使得多个轧辊同步向被旋碾金属构件移动，实现多个轧辊对金属构件具有相同的压下量；然后，启动冷却润滑系统，对金属构件和轧辊进行冷却；(5)启动机床，金属构件做高速旋转运动，轧辊和辊架一起沿金属构件轴向进给，多个轧辊在摩擦力的作用下同时自转，对金属构件同时进行旋碾塑性变形；(6)对步骤(4)和(5)反复交替进行，对金属构件进行多道次旋碾，直到在金属构件表层获得一层微纳米级超细梯度组织。所述步骤(6)之后，增加步骤(7)：(7)对步骤(6)加工的构件取样，采用TEM(HREM)、SEM(EBSD)和XRD测试微纳米梯度组织层的厚度和组织大小。所述机床为车床等机械加工设备，机床具备实现构件转动。步骤(2)中，所述轧辊的个数为三个至六个，如三个或六个等。步骤(3)中，所述轧辊进退调整机构刻度尺等分刻度的每一分度(每格)表示0.01mm，刻度尺准确到0.01mm；确定轧辊与构件间隙为零的位置(零点)后，刻度尺上的负数表示轧辊压下量，正数表示轧辊与构件之间的间隙值。步骤(4)中，所述轧辊的压下量为0.04mm～0.2mm。步骤(5)中，所述金属构件的转速为2r/s～1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，包括如下步骤：(1)将加工构件装卡到机床上，调整构件中心线，使得其中心线与机床主轴中心线重合；(2)将多个轧辊均匀安装在辊架上，根据构件的直径确定轧辊的位置，通过轧辊进退微调机构精确调整轧辊位置，使得每个轧辊与构件之间的间隙相同；(3)采用塞尺测量轧辊到构件的间隙，调整轧辊进退调整机构刻度尺的位置，使得轧辊进退调整机构刻度尺显示的数据与塞尺测量数据一致；(4)设计道次压下量，并采用多个同步轧辊进退调整机构，使得多个轧辊同步向被旋碾构件移动，实现多个轧辊对构件具有相同的压下量；然后，启动冷却润滑系统，对构件和轧辊进行冷却；(5)启动机床，构件做高速旋转运动，轧辊和辊架一起沿构件轴向进给，多个轧辊在摩擦力的作用下同时自转，对构件同时进行旋碾塑性变形；(6)对步骤(4)和(5)反复交替进行，对构件进行多道次旋碾，直到在构件表层获得一层微纳米级超细梯度组织。

【技术特征摘要】
1.一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，包括如下步骤：(1)将加工构件装卡到机床上，调整构件中心线，使得其中心线与机床主轴中心线重合；(2)将多个轧辊均匀安装在辊架上，根据构件的直径确定轧辊的位置，通过轧辊进退微调机构精确调整轧辊位置，使得每个轧辊与构件之间的间隙相同；(3)采用塞尺测量轧辊到构件的间隙，调整轧辊进退调整机构刻度尺的位置，使得轧辊进退调整机构刻度尺显示的数据与塞尺测量数据一致；(4)设计道次压下量，并采用多个同步轧辊进退调整机构，使得多个轧辊同步向被旋碾构件移动，实现多个轧辊对构件具有相同的压下量；然后，启动冷却润滑系统，对构件和轧辊进行冷却；(5)启动机床，构件做高速旋转运动，轧辊和辊架一起沿构件轴向进给，多个轧辊在摩擦力的作用下同时自转，对构件同时进行旋碾塑性变形；(6)对步骤(4)和(5)反复交替进行，对构件进行多道次旋碾，直到在构件表层获得一层微纳米级超细梯度组织。2.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述轧辊的材料为GCr15轴承钢或Cr12MoV模具钢；所述轧辊的压下量为0.04mm～0.2mm；所述构件的转速为2r/s～16r/s，轧辊的轴向进给量为0.1mm/s～1.2mm/s。3.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述构件经过多道次旋碾后，构件表层微纳米梯度组织的厚度为100μm～1000μm。4.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述轧辊进退调整机构刻度尺等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺准确到0.01mm；确定轧辊与构件间隙为零的位置后，刻度尺上的负数表示轧辊压下量，正数表示轧辊与构件之间的间隙值。5.一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：主要包括轧辊、轧辊进退调整机构、辊架、辊架固定及进给机构以及润滑冷却系统，所述轧辊与所述轧辊进退调整机构相连接，所述轧辊进退调整机构与所述辊架相连接，所述辊架与所述辊架固定及进给机构相连接，所述辊架固定及进给机构与所述润滑冷却系统相连接。6.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊的辊面包括压下变形段和精整压光段两部分，压下变形段为一个或多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭胜利，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11