在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法技术

本发明专利技术涉及纳米结构的金属材料表面高速变形的处理方法，特别提供了一种在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法。在室温或低温条件下，通过高速塑性变形的机械处理方法，使金属材料表层微米级粗大晶粒结构细化成近于等轴的亚微米晶粒或纳米晶粒，在金属材料表层形成超细晶粒组织结构。随距离处理表面深度的增加，微观结构尺寸呈梯度变化，由纳米级、亚微米尺寸增大至微米级。本发明专利技术的高速加工方法与现有形成表面超细晶粒结构的处理方法相比，被处理的金属材料表面粗糙度明显减小，变形层厚度增加，而且处理方法简单，工作效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米结构的金属材料表面高速变形的处理方法，特别樹共了一种 ，在金属材半斗表层形成纳 米尺寸、亚 尺寸的超细晶粒组织结构。技术背景纳米材料是由结构尺寸小于100 nm的亚结构组成的单相或多相晶体材料， 由于纳米材料晶界占有很大的比例，纳米材料通常具有不同于、而且常常优越于 普通多晶体材料的优异性能，例如高强度，高扩散系数，良好的电学、磁学等性 能。目前，纳米结构材料领域的研魅要针对i央体纳米结构材料的合成、制备、 结构特征、热稳定性等方面。从已有的方、 看，气相冷凝、机械球磨等方法难 以消除所制备材料中的孑L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点，但设斜员 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。事实上，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、亚麟尺度，利用纳米结构材料的优异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。现有的金属材料表面处理的方法主要有O)表面涂层。利用涂层和沉积技术 如PVD、 CVD、溅射镀膜、电镀等方法在基^t才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。另外，设紐资较大，生产成械高，不适用于数 量巨大的工禾验属材料表面处理；(2)表面机械处理法。利用表面机f戒石开磨处理技术，在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶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。然而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:oik中的推广，处理的样品开邻也有 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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型金属材料表面高速变形处理方法，其投资少，操作简单，工^J:易于实现，用其制备的纳米、亚 结构层不易脱落，并且可 以M控制各种割牛来处理复杂皿的工件，同时保证较低的表面粗糙度，还能 够^ffi比较成熟的机械加工冷却技术，从而为全面提高工禾验属+才料的表面性能 提供可能。本专利技术的技术方案是本专利技术提供了一种金属木才半斗表面高速变形处理方》去，该处理方法装置由工^牛 高速运动机构，刀具进给机构和冷却机构组成。本专利技术采用一定曲率半径的刀具 做轴向避短动，被处理工件做高速旋转运动，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，刀具的曲率半径优选范围为4 mm—8 mm;刀具的轴向进会^I度,范围为150mm/min—250mm/min;被处理工件转 速 范围为600 ipm—1000 rpm;被处理工件的金属材料表面皿，范围为 -100°C—20°C; )ti口介质可以为高压油雾、液氮气体。本专利技术所依据的原理是通过高速变形导致金属材料表面产生严重塑性变形， 使表面晶米M过位错增殖、运动、湮灭、重排等过程细化至纳米尺寸。因而任何 可使刀具和工件呈现高速相X寸运动的设备均可作为本专利技术结构，如各种车床，磨 床等。利用高速变形技术，对工件表面进行低温多次变形处理，工艺参数变形应变速率103- 106 S";变形应变量总变形量大于2.9 (计算方法￡=y/V^， e为变形量，Y为剪 应变)；变鸸度-196°C—100°C。 本专利技术具有如下优点1.处理方法简单。本专利技术利用高速变形技术，处理方法简单，易于控制好变形工艺参数和变开鄉度。对目前传统的切削技术进行必要的改进，优化工艺参数 和变皿度，即可得到表面细化结构层。2. 适用性强。适用于各种复杂工件的表面处理，并且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。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 而得至酸低的表面粗糙度，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。本专利技术是通自金属材料的表面进行高速变形处理，在材料表面形成一定厚 度的纳米、亚 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(厚度大约为20nm—300,)内为纳米、亚 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高，如在抑制裂纹生长方 面，细小晶粒优于粗大晶粒。反之，在抵制裂纹扩展方面，粗大晶粒优于细小晶 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，本专利技术将纳^t才料的优异性能与工禾錄属材料相结合，给传统的 金属材料赋予特殊性能，这在基5飾开究和工禾MJ^用方面均有十分广阔的前景。 附图说明图1为利用本专利技术技术处理的纯铜材料表层透射电镜照片(主轴转速600 rpm)。图2为利用本专利技术技术处理的纯铜材料的表层 电镜照片(主轴,1000rpm)。图3 (a) - (c)为禾拥本专利技术技术处理的纯铜材料的表层透射电镜明(a)、暗 (b)场像、衍射(c)照片(主轴转速600rpm)。图4为本专利技术处理方法所采用装置结构示意图。图中，l工件夹持及旋转机构；2刀具夹持及进给机构；3油雾冷却喷嘴；4冷却介质；5工件；6刀具。具体实施方式如图4所示，本专利技术处理方法所采用装置由工件夹持及旋转机构1、刀具夹 持及进给机构2、油雾冷却喷嘴3、冷却介质4、工件5、刀具6组成，其工作过 程如下本专利技术采用一定曲率半径的刀具6，在刀具夹持及进给机构2的带动下 做轴向进纟能动，被处理工件5在工件夹持及旋转机构1的带动下做高速旋转运动，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鹏，冷却喷嘴3喷出的高压油雾(喷油机供气气压大于80 psi)，以及液氮冷却气体作为冷却介 质4。其中，刀具的曲率半径傲选范围为4mm--8mm;刀具的轴向进纟^I度优 选范围为150mm/min—250mm/min;被处理工件，,范围为600 rpm—1000 rpm;被处理工件的金属材料表面皿,范围为-10(TC—-20°C 。 下面通过实施例详述本专利技术。 实施例1利用表面高速变形技术处理纯铜材料 设备表面高速变形处理设备； 主轴转速600rpm; 变形应变速率103- 104 S"; 变形应变量3画5; 变开^U^: 20°C; 处理道次8;纯铜材料:纯度99.97%(重量百分比)，经60(TC退火3小时，晶粒尺寸20 mhi。 处理得到表层细化的纯铜材料，如图l，表层厚度约为60 ,，其微观结构主要特征是接近等轴的亚微米晶茅4/亚晶粒，短轴尺寸为164 nm，长轴尺寸为351nm。实施例2禾佣表面高速变形技术处理纯铜材料 设备表面高速变形处理设备；主轴魏1000 rpm; 变形应变速率103-104 S"; 变形应变量3-5; 变jmg: 20"; 处鹏次8;纯铜材料纯度99.97%，经600。C退火3小时，晶粒尺寸20(im。 处理得到的表层结构如图2，表层厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法，其特征在于：利用刀具与被处理工件表面的高速相对运动，对工件表面进行低温多次变形处理，工艺参数：变形应变速率：１０↑［３］－－－１０↑［６］ｓ↑［－１］；变形应变量：总变形量大于２．９，计算方法：ε＝γ／＊，ε为变形量，γ为剪应变；变形温度：－１９６℃至１００℃。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李文利，陶乃镕，卢柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]