机械零件的表面滚压纳米化方法技术

一种机械零件的表面滚压纳米化方法，用于金属纳米材料技术领域。本发明专利技术在滚压机上通过支架和滚压头向工件表面施滚压力Ｐ，支架和滚压头沿着相互正交的方向Ｘ和Ｙ运动，Ｘ和Ｙ均与Ｐ的方向垂直，沿Ｘ方向的运动速度为Ｖ↓［１］，沿Ｙ方向运动速度为Ｖ↓［２］，改变Ｖ↓［１］和Ｖ↓［２］的速度比值进行多次反复滚压加工，在零件表面多次改变方向的塑性滚压变形，实现零件表面纳米化。本发明专利技术方法能在机械零件表面经过多道滚压产生强烈的改变方向的塑性变形，获得等轴状纳米晶组织，使零件表面得到优异性能，提高服役寿命，易于进行大规模生产，而且控制极为方便，特别适用于各种轴类零件、板状零件等滚压纳米化，显著提高其疲劳强度和寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机械零件的纳米化方法，特别是一种，用于金属纳米材料

技术介绍
金属材料表面的晶粒大小细化到纳米等级(小于100nm)，会使该材料的表面具有独特的力学和物理化学性能。特别是提高材料和零件的疲劳特性、耐磨性和抗腐蚀性能，防止材料和零件表面产生细小裂纹，从而提高服役寿命。目前已开发出多种纳米材料的制备方法，其中要制备致密程度高，无微孔隙的大体积纳米材料主要应用强烈塑性变形方法，如超声喷丸、高能喷丸、大应力旋挤法HPT(High Pressure Torsion)和等通道角挤压法ECAP(Equal Channel AngularPressing)等。随着不同方向上的强烈塑性变形，位错不断形成和运动，产生位错胞，形成亚晶界。亚晶粒位相角增大逐渐形成大角晶界获得等轴状纳米晶组织。但这些方法只限于实验室水平，难以投入工业化应用。经对现有技术的文献检索，中国专利技术专利“零件的滚压硬化方法”，公开号CN1119841A，公开日为1996年4月3日。该专利涉及一种在一个约垂直于加载轴线的凹槽内，受加载轴线方向负荷的零件进行滚压硬化的方法，使零件上滚压部位的残余压应力具有沿加载轴线的轴向分量和切向分量，轴向分量显著较切向分量大的特征，尤其适合滚压硬化涡轮机叶片的叶根部的制动槽。滚压硬化中零件表面一部分产生弹性变形，一部分产生塑性变形，这一方面提高了受加工材料表面及较浅表层的硬度，同时在表面下产生残余压应力。不过，其塑性变形方向是固定的，晶粒只向一个方向伸长变形，不能产生纳米化效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种，使其解决
技术介绍
中存在的缺憾，能在机械零件表面经过几道滚压产生强烈的改变方向的塑性变形，获得等轴状纳米晶组织，使零件表面得到优异性能，提高服役寿命，同时这种纳米化方法易于实现工业化生产。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术在滚压机上，通过滚压头和支架沿工件表面法向施加压力P，支架沿两个相互正交的轴线X和Y以V1和V2速度运动，X和Y均与P的方向垂直，如支架沿X轴的运动速度为V1，沿Y轴往复摆动速度为V2，相应其引起的滚压变形方向与X方向之间的夹角α为α=arctanV2V1,]]>分别改变V1和V2速度的比值，进行多次反复滚压加工，多次改变滚压塑性变形的方向角α，在零件表面产生多次改变方向的塑性变形，实现工件表面晶粒的纳米细化。对平面工件表面，在滚压头和支架上沿工件表面法向施加压力，沿相互正交的轴线以不同的速度往复运动，进行滚压塑性变形，通过以两种或两种以上运动速度比值，多次改变滚压塑性变形方向，实现表面纳米化。对轴类工件表面，在滚压头和支架上沿曲率中心施加压力，轴转动时工件外园表面的切向的运动速度为V1，支架或滚压头沿轴向以V2速度摆动，改变V1、V2比值，进行两次或多次改变滚压塑性变形方向，实现表面纳米化。对曲轴、阶梯轴、齿轮轴、凸轮轴等工件的变轴颈处的圆角进行滚压，采用球头状滚压头，其半径小于轴颈圆角半径，滚压头压力P的方向常与轴颈曲率中心吻合，轴在机床带动下转动，在轴颈圆角处的切向速度为V1，滚压头以V2速度沿垂直滚道方向作摆动，改变V1、V2比值，选用两种或两种以上转速和摆动速度的比值，进行两次或多次改变圆角处的塑性变形方向角α，实现变径圆角处的表面纳米化。对曲轴连杆轴颈圆角处的滚压，曲轴以连杆轴颈为中心转动，在轴颈圆角处切向速度为V1，滚压杆沿垂直于滚道方向以V2速度作摆动，选不同转速和摆动速度比值，进行两次或多次滚压改变滚压塑性变形方向，实现表面纳米化。为便于更换滚压头，滚压头和支架是可卸式的。滚压杆和施压头可以是一体的，也可组装而成。施压头可用硬质合金、陶瓷或经过超硬涂层和离子注入表面改性的工具钢。本专利技术方法能在机械零件表面经过多道滚压产生强烈的改变方向的塑性变形，获得等轴状纳米晶组织，使零件表面得到优异性能，提高服役寿命，易于进行大规模生产，而且控制极为方便，特别适用于各种轴类零件、板状零件等滚压纳米化，显著提高其疲劳强度和寿命。具体实施例方式结合本专利技术的方法提供四个具体的实施例实施例1.平板状弹性元件，65Mn钢，外形尺寸230×30×12(高)mm，进行热处理(820℃油淬，然后540℃回火)达到44HRC，滚压头受法向压力10N，沿230mm的X方向以V1＝0.5mm/s运动，同时支架沿垂直于X轴的Y轴向以V2分别为0；0.1；0.2；0.3；0.4；0.5；0.6；0.7；0.8；1.0(mm/s)的速度往复运动多次进行滚压。产生改变方向的塑性滚压变形，达到平面的纳米细化。工件最表面晶粒小于100nm，厚度为10μm，达到预定要求。实施例2.涡轮轴，材料为40CrNiMoA，外径尺寸为φ120mm，内径为φ65mm，长度为650mm。该轴热处理工艺如下850℃奥氏体化后油淬，于650℃回火后水冷，硬度293~341HBS。该轴承受扭转力矩、轴向载荷和弯曲力矩，要求有较高的屈服强度和疲劳强度，轴外表面要求进行纳米化。该轴以1转/分速度转动，滚压杆不作摆动，径向压力20N下进行滚压。全部滚压结束后，轴分别以2转/分速度转动，滚压杆以0.4mm/s速度摆动和径向压力20N下进行滚压。全部滚压结束后，轴以4转/分速度转动，滚压杆以0.4mm/s速度摆动再行滚压，产生变方向的塑性滚压变形实现表面纳米化，轴外表面晶粒为小于100nm，厚度20μm，符合技术要求。实施例3.锻钢曲轴，材料45，正火处理得210HBS，连杆轴颈外圆进行感应淬火回火硬度达55~58HRC，要求圆角处进行纳米化处理。曲轴以连杆轴颈为中心以3转/分速度转动，滚压头不作摆动，径向压力15N下进行滚压。全部滚压结束后，轴以3转/分速度转动，滚压头分别为0.3；0.4；0.5；0.6(mm/s)速度摆动，径向压力20N下多次进行滚压，曲轴圆角处晶粒细化至小于100nm，厚度25μm，达到技术要求，疲劳寿命提高2倍。实施例4.凸轮轴，材料QT600-3，硬度为26~30HRC，然后采用激光熔凝处理凸轮面强化。要求凸轮变轴径处进行纳米强化。凸轮轴以4转/分速度转动，滚压头不作摆动，沿曲率半径中心方向施加15N压力。全部滚压结束后，轴以1.5转/分速度转动，滚压头以0.2mm/s速度摆动，再行滚压，凸轮变径圆角实现纳米化，最表面晶粒小于100μm，深度15μm，使用中疲劳寿命显著增加。权利要求1.一种，其特征在于，在滚压机上，通过滚压头和支架沿工件表面法向施加压力P，支架沿两个相互正交的轴线X和Y以V1和V2速度运动，X和Y均与P的方向垂直，如支架沿X轴的运动速度为V1，沿Y轴往复摆动速度为V2，相应其引起的滚压变形方向与X方向之间的夹角α为α=arctanV2V1,]]>分别改变V1和V2速度的比值，进行多次反复滚压加工，多次改变滚压塑性变形的方向角α，在零件表面产生多次改变方向的塑性变形，实现工件表面晶粒的纳米细化。2.根据权利要求1所述的，其特征是，对平面工件表面，在滚压头和支架上沿工件表面法向施加压力，沿相互正交的轴线以不同的速度往复运动，进行滚压塑性变形，通过以两种或两种以上运动速度比值，多次改变滚压塑性变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械零件的表面滚压纳米化方法，其特征在于，在滚压机上，通过滚压头和支架沿工件表面法向施加压力Ｐ，支架沿两个相互正交的轴线Ｘ和Ｙ以Ｖ↓［１］和Ｖ↓［２］速度运动，Ｘ和Ｙ均与Ｐ的方向垂直，如支架沿Ｘ轴的运动速度为Ｖ↓［１］，沿Ｙ轴往复摆动速度为Ｖ↓［２］，相应其引起的滚压变形方向与Ｘ方向之间的夹角α为：α＝ａｒｃｔａｎＶ↓［２］／Ｖ↓［１］，分别改变Ｖ↓［１］和Ｖ↓［２］速度的比值，进行多次反复滚压加工，多次改变滚压塑性变形的方向角α，在零件表面产生多次改变方向的塑性变形，实现工件表面晶粒的纳米细化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡明娟，刘占仓，蒋志俊，李晓玲，朱祖昌，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]