超声波高能表面机械加工的金属件表面纳米化方法技术

本发明专利技术涉及一种利用超声波高能表面机械加工实现金属件无涂层表面纳米化的方法。一种超声波高能表面机械加工的金属表面纳米化方法，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。本发明专利技术可对形状复杂、大尺寸的金属件表面进行高能机械加工，并以更高的应变速率实现之，而且无须任何弹丸或微粒作为中间能量（或动量）载体就能够实现金属件表面纳米化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在金属件表面形成纳米晶层(表面纳米化)方法，尤其涉及一种利用超声波高能表面机械加工实现金属件无涂层表面纳米化的方法。
技术介绍
晶粒细化能够在提高强度的同时改善金属的韧性。随着纳米科技的出现，在实验室中将金属块体的晶粒细化到纳米级(＜100nm)已经变成现实。大量的研究揭示，纳米晶金属材料的确具有独特的性能，其中包括高强度、高硬度和良好的韧性等优异的力学性能。然而，纳米晶金属结构材料的应用存在两个突出难题(1)当晶粒直径在小于1μm(亚微米级，晶粒直径在1μm～100nm之间；纳米级，晶粒直径小于100nm)时，金属的加工硬化能力逐渐丧失、屈服强度与抗拉强度之比(简称“屈强比”)增大(常规材料的屈强比通常小于0.7，而纳米及亚微米晶金属材料屈强比却常常大于0.9，甚至趋近于1)、均匀拉伸延伸率降低、塑性恶化。这一致命的弱点极大地限制了纳米及亚微米晶金属材料在结构件中的直接应用。(2)作为结构材料，较大的外观尺寸常常是必需的，而大尺寸块体纳米材料的制备是一个世界性的难题。现有的制备技术(例如，粉末冶金、非晶晶化和马氏体大变形再结晶等)的工艺复杂性和困难程度使得大尺寸块体纳米晶金属结构材料的规模化生产成本高昂且不现实。解决上述难题的方法之一是采用一种新型的表面改性技术——表面纳米化(surface nanocrystallization，简称SNC)。鉴于失效(磨损、腐蚀和疲劳等)通常都是从材料或构件表面开始的，对表面层进行局部的纳米化处理改善的就不仅仅是表面性能，而且是材料或构件的整体性能。这肯定要比对材料或构件整体进行纳米化要容易和经济得多。此外，由于只有表面层进行了纳米化，材料或构件的绝大部分(心部)仍然为常规的微米晶并具有足够的塑性。这种纳米晶与常规微米晶组成的广义复合材料可以在强度、塑性和韧性之间取得良好的平衡。表面纳米化可以分为三种类型第一类，引入异质材料从而在材料表面形成纳米结构涂层或镀层，称为有涂层表面纳米化；第二类，利用高能表面机械加工使金属表面发生局部强烈塑性变形，进而导致表面自身纳米化，称为无涂层表面纳米化；第三类，为第一、第二类表面纳米化的组合。目前，有多项表面纳米化专利已经获得授权或受理，其中专利技术专利“一种金属材料表面纳米层的制备方法(公开号CN 1301873A)”，专利技术专利“形成纳米结构的机械方法和专用机械设备(公开号CN1336321A)”(等效专利FR2812284、WO0210463、AU8408701)，专利技术专利“形成纳米结构方法和专用设备(公开号CN 1336444A)”(等效专利FR2812286、WO0210461、AU8224001)，专利技术专利“形成纳米结构处理方法和专用处理设备(公开号CN 1336445A)”(等效专利FR2812285、WO0210462、AU8224101)的共同特征在于，都使用了弹丸作为输入能量的载体，通过使待处理工件表面发生局部强烈塑性变形将表面晶粒细化到纳米尺度，最终达到表面纳米化的目的。这些专利的主要问题是处理过程处于一个密闭的腔体中，能够表面纳米化的工件形状和尺寸有限，无法处理大尺寸的工件。专利技术专利“超音速微粒轰击金属表面纳米化方法(公开号CN1410560A)”(等效专利申请号US58260-010100)则利用压缩空气携带硬质微粒通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面，可以解决工件形状和尺寸的限制问题。该专利技术可以对对形状复或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀。该专利技术的最大优点是可以纳米化处理的工件形状和尺寸不受限制，其不足之处在于硬质微粒回收再利用困难、所形成的表面纳米化层太薄且表面光洁度不高(如果当工艺控制不当，超音速微粒轰击还可能引起冲蚀(erosion)从而造成对工件不同程度的损伤)。此外，为了隔绝粉尘和噪音，该专利技术的装置需要放置在一个类似于喷涂间的隔音室(或隔音箱)中。日本公开特许公报JP2003039398提出了一种基于落锤原理的“金属制品的表面纳米化方法”。根据这一方法，在一个落锤的端面有至少一个突起。落锤加速落下，使每个突起能够以0.1kg.m/s的动量撞击置于落锤下方的金属件表面，从而使金属件被撞击部位发生表面纳米化。这一方法虽然十分简单方便，但能够处理的金属件的尺寸和形状有限，同时形成的表面纳米晶层的均匀性也不够理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该方法可对形状复杂、大尺寸的金属件进行表面纳米化，不仅可以对金属件进行局部强烈塑性变形、同时还可以确保这种变形能够以更高的应变速率实现的更有效的表面纳米化，并且无须任何弹丸或微粒作为中间能量(或动量)载体就能够对金属件直接进行高能表面机械加工，实现金属件表面纳米化。本专利技术是这样实现的一种，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。上述的，所述冲头的冲击功率为10-500W、频率为20-30kHz、振幅为2-30μm、球形冲头的曲率半径为1-5mm。上述的，所述冲头相对于金属件表面移动的线速度vx应该满足0≤vx≤2fr和vx=2fh(2R-h),]]>其中r和h分别是单次冲击后形成的凹坑半径和连续冲击后表面上的凸台高度；冲头相对于金属件表面移动的线速度vx还应该确保相邻两个冲击凹坑之间有足够高的相对重叠度L，L=2r-λ2r×100%,]]>其中λ为两个相邻凹坑的间距，以实现局部强烈塑性变形的累积。上述的，所述沿金属件表面各个方向上冲击凹坑的相对重叠度L应相等。上述的，所述对于金属件二维平面的表面纳米化处理，控制冲头相对于X和Y两个方向移动的线速度vX和vY相等，使X和Y两个方向的相对重叠度相等。本专利技术的原理包括以下两个方面(1)高能表面机械加工的基本原理。利用压电陶瓷或电磁感应装置将电能转化成高能超声波，再通过超声波换能器上的专用冲头与待处理金属件表面之间直接接触，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形。(2)表面纳米化的基本原理。利用强烈塑性变形可以细化金属的晶粒。由于采用高能表面机械加工方法，可以在金属件表面层造成高应变速率的局部强烈塑性变形。与块体金属件的整体强烈塑性变形相比，表面层局部的变形可以达到更高的应变水平——极度强烈塑性变形；与普通喷丸或落锤方法相比，局部强烈塑性变形能够以更高的应变速率发生——甚至可以实现超音速强烈塑性变形——从而能够更有效地将金属件表面层的晶粒细化到纳米级。本专利技术的优点在于(1)在金属件表面能够形成一层化学成分与金属件基体完全相同的纳米晶。这一纳米晶层与金属件基体之间没有明显的分界线，结合良好、性能过渡均匀。表面层由于晶粒在纳米尺度而具有高的强度、硬度和优异的韧性，可以有效阻止自表面开始的失效(如，磨损和疲劳裂纹的萌生等)；而占金属件绝大部分的基体金属的晶粒尺寸仍然在微米级从而具有良好的塑性。整个金属件形成一种纳米晶与微米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波高能表面机械加工的金属表面纳米化方法，其特征是将超声波换能器上的冲头与金属件待处理表面直接接触，控制超声波换能器与金属件之间的相对位置、相对运动形式、相对运动速度，以及选择或控制超声波换能器冲头的几何形状、振幅、超声波频率和功率，将超声波振动能量输入到金属件，并在金属件表面层造成高应变速率局部强烈塑性变形，从而将金属件表面层晶粒细化到纳米尺度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋洪伟，张俊宝，史弼，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]