一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法技术

技术编号:23304187 阅读:50 留言:0更新日期:2020-02-11 15:12
本专利公开了一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,将待处理金属样品制作成摩擦副,对磨副材质与待处理金属样品相同且硬度相近,两副的初始表面光洁度Ra≤1.6um,并通过润滑物质进行润滑,润滑物质为含有蛇纹石、凹凸棒石、高岭石、蒙脱石等矿物的润滑油、润滑脂及乳化液,采用飞溅润滑与强制润滑方式。摩擦副的接触形式包括面面接触、线面接触,摩擦形式包括滑动摩擦与滚动摩擦,累计摩擦运动时间不少于72小时,本工艺方法相对简单,一个工艺段就可以实现“提高表面硬度、光洁度、耐腐蚀性能”的综合目标,具有一定推广价值。

A preparation method of high hardness and smooth corrosion resistant surface of ferrous metals

【技术实现步骤摘要】
一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法
:本专利技术涉及金属材料表面加工、矿物材料及机械摩擦学领域,具体涉及一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法。
技术介绍
:黑色金属及其合金是工业上对铁、铬和锰的统称,也包括这三种金属的合金材料,是当今使用最为广泛的金属材料,以铁基金属材料为例,几乎90%以上机械零部件都采用铁基材料,尤其大量应用于各类摩擦件。据统计,全世界每年约30%的一次能源因为摩擦被消耗,约60%的机器零部件因为摩损而失效,约50%的机械装备恶性事故起源于润滑失效和过度磨损,减少摩擦、降低磨损意义重大。为了提高零部件的稳定性与使用寿命,除了采取合理的形状设计外,因金属材料表面状态显著影响其机械性能,还要对零部件表面进行多次处理,提高表面硬度、表面光洁度与耐腐蚀能力。目前,关于金属表面处理方法,工业界广泛使用的方法有渗碳、渗氮、渗硼、渗铬等,可提高表面硬度与耐腐蚀能力,但这些方法都需要将零部件置于500度以上的高温氛围内,易导致零部件的变形,且对表面粗糙度降低没有贡献,还需要配合超精研磨来弥补变形造成的尺寸误差以及降低表面粗糙度。另外,喷丸工艺可提高表面硬度,但会造成光洁度下降,对耐腐蚀能力没有积极作用。因此,目前传统的处理方法还较为繁复或效果单一,不能通过一个工艺段就实现“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的综合目标。此外,中国科学院金属研究所近年来专利技术了“表面机械研磨(SMAT)、表面机械碾磨(SMGT)”处理方法,这些方法通过在金属表面形成纳米晶梯度结构,从而显著提高表面硬度,并且可将渗氮温度降低到300度,但由于表面纳米化后形成大量晶界,为氧原子以及其他腐蚀离子提供了通道,导致耐腐蚀性能降低。因此,开发一种同时具有“提高表面硬度、表面光洁度、耐腐蚀能力”的新工艺,可为金属表面处理提供新的选择,解决目前各种方法存在的局限。层状硅酸盐矿物是在自然界中广泛分布,层状硅酸盐的人工可控合成工艺简便易行,近年来研究发现:在机械设备运行状态下,蛇纹石、高岭石以及凹凸棒石、蒙脱石等层状硅酸盐矿物通过润滑油/脂的传递作用介入到黑色金属摩擦副间,在摩擦所产生的应力及闪温作用下,会发生摩擦学物理化学作用,可在一定程度上对金属表面进行改性,改善金属表面化学成分与晶相结构,提高金属表面硬度、光洁度及耐腐蚀能力,优化摩擦学状态,进而降低摩擦系数,提高金属摩擦副的抗磨能力。蛇纹石等层状硅酸盐矿物表现出的减少摩擦修复磨损的功效,在摩擦学领域首次实现了从摩擦损失到磨损补偿的转变,为金属表面加工处理提供了一种新的思路,并可以拓宽黑色金属材料的使用范围,使得普通低成本材料(如碳钢)经过处理后达到高性能合金的指标,并可进一步提升高性能合金的抗磨耐蚀能力,也可以替代目前一些复杂的表面处理工艺,在达到相同指标情况下,降低表面处理成本。目前为止,蛇纹石等层状硅酸盐主要应用于既有的机械装备上,通过模拟摩擦环境,探明关键工艺参数与金属表面性质的关联规律,主动处理金属表面并获得金属表面指定设计指标的技术开发工作尚处于空白状态。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为,提供一种针对黑色金属的表面区域选择性处理、同时提高硬度和光洁度及耐蚀性能的处理方法。本专利技术的技术方案为:一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将待处理金属样品作为摩擦副,选择材质与待处理金属样品相同且硬度相近对磨副,在润滑物质介入的条件下,摩擦副和对磨副进行相对摩擦运动,所述摩擦运动包括两个阶段,第一阶段为高载荷低速度摩擦运动,控制接触应力为(1~10)×105Pa,控制相对运动速度0.3~6m/s,第二阶段为低载荷高速度摩擦运动,控制接触应力为(0.1~2.0)×105Pa以内,控制相对运动速度5~20m/s,所述摩擦副相对运动的时间累计不少于72h,其中第一阶段大于等于20小时,第二阶段大于等于52小时,达72小时后,每隔摩擦1个小时,测试表面弹性模量一次,直至弹性模量数量不在变化后停止摩擦。进一步的,所述待处理金属样品及对磨副为黑色金属及其合金,摩擦副和对摩副的表面粗糙度Ra≤1.6um。进一步的,当原始表面粗糙度Ra≥1.0um,且表面粗糙度设计指标需要降低的幅度不超过60%,所述摩擦运动可以单独执行第一阶段,当原始表面粗糙度Ra<1.0um,且表面粗糙度设计指标需要降低的幅度在60%以上,所述摩擦运动可以单独执行第二阶段。进一步的,所述第一阶段用润滑物质中层状硅酸盐的含量为0.1wt%~1.5wt%,层状硅酸盐的平均粒径控制在5um以内;第二阶段用润滑物质中层状硅酸盐的含量为0.01wt%~1wt%,层状硅酸盐的平均粒径控制在2um以内。进一步的,所述摩擦副的接触形式包括面面接触或线面接触,摩擦形式为滑动摩擦或滚动摩擦。进一步的,所述润滑物质为含有层状硅酸盐矿物的润滑油、润滑脂与乳化液的一种或几种,所述层状硅酸盐矿物为蛇纹石、凹凸棒石、高岭石、蒙脱石的一种或几种混合的天然矿物或合成矿物。进一步的,所述润滑物质的介入方式包括强制润滑与飞溅润滑。本专利技术的有益效果为:(1)工艺相对简单,一个工艺段就可以实现“提高表面硬度、光洁度、耐腐蚀性能”的综合目标,改善金属疲劳性能,还可一定程度提高耐高温性能,经多次实验与未处理金属表面相比,通过本申请方法处理过的高硬光洁耐蚀金属表面的表面硬度提高50%以上、表面粗糙度Ra降低50%以上、3.5wt%NaCl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低30~50%以上、抗疲劳性能显著改善,同时,处理后的金属表面耐高温性能得到显著提高,可在干摩擦无润滑状态进行一定时间的相对运动。(2)可以进行表面区域的选择性处理。(3)将普通碳钢的表面性能指标提高到合金钢的水平。(4)可在达到相同金属表面指标的情况下,大幅度降低表面处理成本。(5)可对整机中的摩擦件进行在线表面处理。附图说明图1为本申请中实施例1中摩擦副和对摩副工作示意图;图2为本申请中实施例2中摩擦副和对摩副工作示意图;图3为本申请中实施例3中摩擦副和对摩副工作示意图。图中:1摩擦副,2对磨副,3油盒。具体实施方式下面结合附图说明和具体实施方式对本申请进行进一步说明。下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。实施案例1:在纯铁表面制备出宽度为2cm、面积为63cm2环状高硬光洁耐蚀表面,设计指标为:表面硬度提高一倍(原始表面维氏硬度为135);光洁度≤0.1um(纯铁原始表面粗糙度Ra为1.0um);3.5wt%NaCl中性溶液中腐蚀20小时后质量损失降低45%以上。将待处理纯铁样品制作成摩擦副1,对磨副2为缺口环状纯铁本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:/n将待处理金属样品作为摩擦副,选择材质与待处理金属样品相同且硬度相近对磨副,在润滑物质介入的条件下,摩擦副和对磨副进行相对摩擦运动,所述摩擦运动包括两个阶段,第一阶段为高载荷低速度摩擦运动,控制接触应力为(1~10)×10

【技术特征摘要】
1.一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将待处理金属样品作为摩擦副,选择材质与待处理金属样品相同且硬度相近对磨副,在润滑物质介入的条件下,摩擦副和对磨副进行相对摩擦运动,所述摩擦运动包括两个阶段,第一阶段为高载荷低速度摩擦运动,控制接触应力为(1~10)×105Pa,控制相对运动速度0.3~6m/s,第二阶段为低载荷高速度摩擦运动,控制接触应力为(0.1~2.0)×105Pa以内,控制相对运动速度5~20m/s,所述摩擦副相对运动的时间累计不少于72h,其中第一阶段大于等于20小时,第二阶段大于等于52小时,达72小时后,每隔摩擦1个小时,测试表面弹性模量一次,直至弹性模量数量不在变化后停止摩擦。


2.根据权利要求1所述一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,其特征在于,所述待处理金属样品及对磨副为黑色金属及其合金,摩擦副和对摩副的表面粗糙度Ra≤1.6um。


3.根据权利要求1所述一种黑色金属的高硬光洁耐蚀表面的制备方法,其特征在于,当原始表面粗糙度Ra≥1.0um,且表面粗糙度设计指标需要降低的幅度不超过60%,所述摩擦运动...

【专利技术属性】
技术研发人员:李桂金张忠伦刘晶白志民
申请(专利权)人:中建材科创新技术研究院山东有限公司
类型:发明
国别省市:山东;37

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