專利名稱：摩擦滾壓制備金屬表面納米層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，尤其是一種金屬材料表面的摩擦 滾壓納米化方法。
背景技術(shù)：
納米結(jié)構(gòu)材料集優(yōu)異的力學(xué)性能和獨(dú)特的物理性能于一體，己經(jīng)引起了廣大 研究者和工業(yè)界的極大興趣。但是，塊體納米結(jié)構(gòu)材料的制備仍然是材料學(xué)界的 難題之一，并且所制造的塊體納米材料難以進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。而在實(shí)際應(yīng)用中，金 屬材料的失效大多發(fā)生在材料的表面，表面的結(jié)構(gòu)性能直接影響工程金屬材料的 綜合服役性能。因此只要在材料上制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)表面 納米化，就可以通過表面組織和性能的優(yōu)化提高材料的整體性能，如抗疲勞性、 耐腐蝕性和抗摩擦性，延長材料的使用壽命。
現(xiàn)有的金屬材料表面納米化的方法主要有兩類，第一類為表面涂層或沉積納 米化，即在金屬材料表面涂敷或沉積一層本身具有納米尺度和性能的膜層，主要 技術(shù)有物理蒸發(fā)沉積(PVD)、化學(xué)蒸發(fā)沉積(CVD)，濺射鍍膜，電鍍和噴涂等。
由于存在涂層與基體之間、涂層粒子之間結(jié)合力較弱的缺點(diǎn)，很容易引起表層剝 離或脫落。而且存在設(shè)備投資大生產(chǎn)成本高，限制了該類方法的工業(yè)化應(yīng)用。第 二類為機(jī)械表面研磨納米化，即使用機(jī)械方法使金屬表面產(chǎn)生劇烈塑性變形，從
而細(xì)化表面組織。主要技術(shù)有高能噴丸、超聲噴丸、滾壓等方法。該類方法制 備的表面納米層與基體組織之間不存在明顯的界面，不會(huì)發(fā)生脫落和分離，從而 大幅提高材料使用性能。但該類方法仍存在一些局限性，如生產(chǎn)效率低、設(shè)備復(fù) 雜、成本較高等缺點(diǎn)，很難進(jìn)行工業(yè)化推廣。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利"機(jī)械零件的表面滾壓納米化
方法"，公開號(hào)CN1621197A，
公開日2005年6月1日；中國發(fā)明專利"零件的 滾壓硬化方法"，公開號(hào)CN1119841A，
公開日為1996年4月3日。該兩項(xiàng)專利 都涉及一種零件表面的滾壓強(qiáng)化方法。即在一定載荷條件下，使用滾輪在零件表面上沿著一個(gè)方向或者兩個(gè)方向上反復(fù)滾壓，使零件表面發(fā)生劇烈塑性變形，位 錯(cuò)不斷增殖和運(yùn)動(dòng)。 一方面提高了金屬材料表面及較淺表層的硬度，同時(shí)在材料 表層下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；另一方面也細(xì)化了表層的組織。但使用的方法都僅是簡 單的滾壓，即材料只受到壓應(yīng)力，沒有剪切應(yīng)力的作用，組織細(xì)化能力較弱，很 難產(chǎn)生表層納米化效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種金屬材料表面摩擦滾壓 納米化方法，使其以簡單的工藝和設(shè)備解決背景技術(shù)中存在的缺憾，提高表層納 米化能力和細(xì)化效率，使零件表面得到優(yōu)異性能，提高服役壽命，同時(shí)使這種納 米化方法易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用支架和圓形的剛性滾輪對(duì)金 屬材料表面施加一個(gè)壓應(yīng)力P。支架帶動(dòng)滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由 支架控制，支架移動(dòng)的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬 表面不但受到壓應(yīng)力還受到剪切應(yīng)力的作用，使金屬材料表面產(chǎn)生劇烈塑性變 形，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，并最終實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化。
所述支架運(yùn)動(dòng)方式可為間歇運(yùn)動(dòng)或連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
所述間歇運(yùn)動(dòng)，是指支架帶動(dòng)滾輪沿X方向以固定速度Vx往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)完 成X方向的滾壓后，支架沿與X軸任意夾角的Y方向移動(dòng)一定位移D，然后再沿 X方向以固定速度Vj袞壓，持續(xù)滾壓直至完全覆蓋整個(gè)金屬表面。
所述連續(xù)運(yùn)動(dòng)，是指支架同時(shí)沿平行于金屬表面的任意夾角的X方向和Y
方向移動(dòng)，直至滾壓完整個(gè)金屬表面。
本發(fā)明中，X方向是指滾輪滾動(dòng)方向，Y方向與X方向之間有一角度，兩個(gè) 方向都平行于金屬表面。
所述滾輪的速度大于或小于支架的移動(dòng)速度，滾輪的速度采取動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或摩 擦制動(dòng)。
本發(fā)明中，所述支架運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還需帶動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)，或給滾輪一個(gè)定量摩擦 力，使其減速旋轉(zhuǎn)，即滾輪滾壓面的線速度Vft不等于支架移動(dòng)速度Vs:，存在一 個(gè)速度差V^Iv^ — v^。這樣，在滾壓過程中，滾輪對(duì)金屬材料表面施加一個(gè) 壓應(yīng)力P的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)剪切力T。使金屬材料表面產(chǎn)生劇烈剪切變形，導(dǎo)致材料表面晶粒細(xì)化，并最終實(shí)現(xiàn)金屬材料的表面納米化。對(duì)于不同的金屬材料， 其實(shí)現(xiàn)表面納米化的最低壓力P和速度差Vg是不同的。 一般來說，在其他因素 相同時(shí)，壓力P和速度差V^越大，形成的納米晶越細(xì)。經(jīng)一定量的反復(fù)摩擦滾 壓后即可獲得納米結(jié)構(gòu)的金屬表層。本發(fā)明制得的金屬納米層為表面材料原位生 產(chǎn)納米膜層，與金屬基體結(jié)合良好。
所述的剛性滾輪的直徑?jīng)]有一定的要求。滾輪可以為單個(gè)輪子，也可以為多 個(gè)輪子的滾輪組。滾輪寬度沒有特定要求。本發(fā)明中主要細(xì)化因素是滾輪線速度 與支架速度之間的速度差，以及滾輪給金屬材料的正壓力P。對(duì)于不同的材料需 要的正壓力P不同，但正壓力P應(yīng)足以使材料表面產(chǎn)生一個(gè)微量的塑性變形。間 歇運(yùn)動(dòng)時(shí)每次Y方向的位移量D應(yīng)為滾輪寬度的0.2 1倍。連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，支架 沿夾角為45 90°的X方向和Y方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)。滾輪線速度與支架速度之間的速 度差沒有一定要求， 一般V^取值范圍為0.5 1.5V支。
本發(fā)明通過摩擦滾壓產(chǎn)生的剪切力和壓應(yīng)力使金屬材料表面產(chǎn)生劇烈快速 的塑性變形?？纱蟠筇岣呓饘俦砻婕{米化的效率和能力。整套裝置結(jié)構(gòu)簡單，加 工容易，實(shí)用性強(qiáng)，易于普及。可以用于純金屬、合金、金屬基復(fù)合材料等材料 的表面納米化。本發(fā)明具有晶粒細(xì)化能力強(qiáng)、效率高、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí) 用性強(qiáng)、易于普及的優(yōu)點(diǎn)。


圖l本發(fā)明實(shí)施例示意圖； 圖2為圖1所示的平面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中涉及的設(shè)備包括固定在滾壓機(jī)床上的支架1 和半徑為20mra寬為10mm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V,-100mm/秒的速度沿X方向移動(dòng)，支架1移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)滾輪2以角速度a=l. 2轉(zhuǎn)/秒轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾輪2滾壓面的線速度為Vft= a (角速度轉(zhuǎn)速)X 2 n XR (輪半徑)450mm/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V差為50咖/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時(shí)附加一個(gè)滑動(dòng)摩擦。當(dāng)X方向滾壓結(jié)束后，支架l帶 動(dòng)滾輪2沿與X方向夾角為90度的Y方向移動(dòng)10mm，繼續(xù)X方向滾壓，反復(fù)滾 壓16遍及獲得了平均晶粒尺寸小于100nm的表面納米層。
實(shí)施例2
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中涉及的設(shè)備包括固定在滾壓機(jī)床上的支架1 和半徑為30mm寬為15mm的滾輪2，金屬材料為鋁合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V^200mm/秒的速度沿X方向移動(dòng)，同時(shí)以V^20mm/秒的速度沿Y
方向移動(dòng)，X與Y方向夾角為90度，即支架1移動(dòng)速度為Vs=a/2002 +202 =201。 支架1移動(dòng)的同時(shí)給滾輪2—個(gè)摩擦力，使其以角速度3=0.8轉(zhuǎn)/秒轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾 輪2滾壓面的線速度為Vft= a(角速度轉(zhuǎn)速)X2n XR (輪半徑)=150咖/秒，滾 輪2與支架1之間的速度差V差為49mm/秒，即在滾輪2滾壓鋁合金板3的同時(shí) 附加一個(gè)滑動(dòng)摩擦。反復(fù)滾壓12遍及可獲得平均晶粒尺寸小于200nm的表面納 米層。
實(shí)施例3
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中涉及的設(shè)備包括固定在滾壓機(jī)床上的支架1 和半徑為20mm寬為lOmm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V^100rara/秒的速度沿X方向移動(dòng)，支架1移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)滾輪2 以角速度『0.4轉(zhuǎn)/秒轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾輪2滾壓面的線速度為V^a(角速度轉(zhuǎn)速)X2n XR (輪半徑)=50咖/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V差為50順/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時(shí)附加一個(gè)滑動(dòng)摩擦。當(dāng)X方向滾壓結(jié)束后，支架l帶 動(dòng)滾輪2沿與X方向夾角為45度的Y方向移動(dòng)2ran，繼續(xù)X方向滾壓，反復(fù)滾 壓8遍及獲得了晶粒尺寸小于150nm的表面納米層。實(shí)施例4
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中涉及的設(shè)備包括固定在滾壓機(jī)床上的支架1 和半徑為20mm寬為10mm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V尸100mm/秒的速度沿X方向移動(dòng)，支架1移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)滾輪2 以角速度a-O. 4轉(zhuǎn)/秒轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾輪2滾壓面的線速度為Vft= a(角速度轉(zhuǎn)速)X 2 n XR (輪半徑^50rara/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V ^為50mm/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時(shí)附加一個(gè)滑動(dòng)摩擦。當(dāng)X方向滾壓結(jié)束后，支架1帶 動(dòng)滾輪2沿與X方向夾角為60度的Y方向移動(dòng)6醒，繼續(xù)X方向滾壓，反復(fù)滾 壓10遍及獲得了晶粒尺寸小于150nm的表面納米層。
權(quán)利要求
1、一種金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征在于采用支架和圓形的剛性滾輪對(duì)金屬材料表面施加一個(gè)壓應(yīng)力，支架帶動(dòng)滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由支架控制，支架移動(dòng)的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬表面同時(shí)受到壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用，使金屬材料表面產(chǎn)生塑性變形，最終實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述滾輪的速度大于或小于支架的移動(dòng)速度，滾輪的速度采取動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或摩擦制 動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述支架運(yùn)動(dòng)方式為間歇運(yùn)動(dòng)或連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是，所述間歇運(yùn)動(dòng)，是指支架帶動(dòng)滾輪沿X方向以固定速度Vx往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)完成X方向的滾壓后，支架沿與X軸任意夾角的Y方向移動(dòng)一定位移D，然后再沿X方 向以固定速度V,滾壓，持續(xù)滾壓直至完全覆蓋整個(gè)金屬表面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)每次Y方向的位移量D為滾輪寬度的0. 2 1倍。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述連續(xù)運(yùn)動(dòng)，是指支架同時(shí)沿平行于金屬表面的任意夾角的X方向和Y方向 移動(dòng)，直至滾壓完整個(gè)金屬表面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，支架沿夾角為45 90。的X方向和Y方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述滾輪滾壓面的線速度與支架移動(dòng)的速度之間的速度差范圍為0.5 1.5V支。
全文摘要
一種金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，屬于金屬材料工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法為采用支架和圓形的剛性滾輪對(duì)金屬材料表面施加一個(gè)壓應(yīng)力，支架帶動(dòng)滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由支架控制，支架移動(dòng)的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬表面不但受到壓應(yīng)力還受到剪切應(yīng)力的作用，使金屬材料表面產(chǎn)生劇烈塑性變形，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，并最終實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化。本發(fā)明工藝簡單，設(shè)備經(jīng)濟(jì)，組織細(xì)化能力高，實(shí)用性強(qiáng)，易于工業(yè)化普及?？梢杂糜诩兘饘?、合金、金屬基復(fù)合材料等材料的表面納米化。
文檔編號(hào)C21D7/00GK101445862SQ20081020438
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者林金保, 王渠東 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)