一種塑性變形處理金屬材料表層的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面改性處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種塑性變形處理金屬材料表層的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的失效如疲勞裂紋、摩擦磨損和腐蝕等，往往開(kāi)始于材料表面。對(duì)金屬材料表層改性處理，在金屬材料表層獲得梯度微納米結(jié)構(gòu)層，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性相互匹配的力學(xué)性能，同時(shí)提高金屬材料的疲勞性能，提高構(gòu)件的服役壽命。塑性變形技術(shù)是在金屬材料表層制備梯度微納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力手段，主要方法有:超聲噴丸、高能噴丸、表面超聲沖擊處理(Ultrasonic Surface Processing和Ultrasonic Impact Peening)、表面機(jī)械研磨處理、表面機(jī)械碾壓處理、機(jī)械滾壓處理、絲刷處理和滑動(dòng)摩擦處理等。
[0003]噴丸技術(shù)存在噪音大和粉塵污染環(huán)境等問(wèn)題，表面超聲沖擊技術(shù)存在耗能、產(chǎn)生噪音及制備效率低等問(wèn)題。表面機(jī)械研磨處理工件表面粗糙度稍大，操作過(guò)程繁瑣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)和大規(guī)模生產(chǎn)的難度較大，難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，限制了其在工業(yè)中的推廣。
[0004]中國(guó)發(fā)明專利，表面機(jī)械碾壓(碾磨)方法(申請(qǐng)?zhí)?00710011724.6、申請(qǐng)?zhí)?201210103152.5、申請(qǐng)?zhí)?201310033995.7、申請(qǐng)?zhí)?201310185394.8 及申請(qǐng)?zhí)?01310185394.8)處理金屬材料表層的面積較小，制備效率低。
[0005]中國(guó)發(fā)明專利，表面機(jī)械滾壓方法(申請(qǐng)?zhí)?00710037030.X、申請(qǐng)?zhí)?201210287363.9、申請(qǐng)?zhí)?200920025738.8、申請(qǐng)?zhí)?201410430544.1、申請(qǐng)?zhí)?00810204386.2、申請(qǐng)?zhí)?200910047694.3 及文獻(xiàn) “Pengfei Chui, Kangning Sun, ChangSun,et al.Effect Effect of surface nanocrystallizat1n induced by fast multiplerotat1n rolling on mechanical properties of a low carbon steel.Materials andDesign.2012，35:754-759”和“白濤、李東、關(guān)凱書.機(jī)械滾壓對(duì)304L不銹鋼組織和性能的影響.金屬學(xué)報(bào)，2011，47(11):1459-1463")公開(kāi)了采用旋轉(zhuǎn)圓柱形工具的端面(端面為平面、圓弧曲面、在平端面安裝多個(gè)滾珠或圓柱滾針)或圓形滾輪(乳輥)壓入金屬表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。這些方法處理金屬表面的全過(guò)程并非連續(xù)成形，金屬表面不夠光潔，制備效率低，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和規(guī)?；a(chǎn)的難度較大。
[0006]中國(guó)發(fā)明專利，滑動(dòng)摩擦處理方法(申請(qǐng)?zhí)?01110277356.6、申請(qǐng)?zhí)?00510110985.4)公開(kāi)了采用重復(fù)循環(huán)滑動(dòng)摩擦，使得金屬材料表面晶粒尺寸細(xì)化至納米尺寸，最終實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化。該方法制備效率低、表面不夠光潔，很難滿足工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的要求。
[0007]上述方法能夠在金屬材料表層實(shí)現(xiàn)梯度微納米結(jié)構(gòu)，提高金屬材料表層性能，進(jìn)而提高金屬構(gòu)件的綜合性能，但在大面積金屬材料表層工業(yè)規(guī)?；⒏咝炕铜h(huán)境友好制備梯度微納米結(jié)構(gòu)方面仍然有諸多不足，使得通過(guò)金屬材料表層形成梯度微納米結(jié)構(gòu)，提高金屬構(gòu)件綜合性能，難以在工業(yè)實(shí)際中獲得大量應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種塑性變形處理金屬材料表層的裝置和方法，具體技術(shù)方案如下:
[0009]—種塑性變形處理金屬材料表層的裝置，包括套筒1，小齒輪2，鍵3，小軸承4，軸5，手輪6，套筒凸臺(tái)7，錐形模8，模架9，螺栓10-1，硬質(zhì)合金球11，大軸承12，壓環(huán)13，固定板及軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)14，壓蓋15，潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)16，大齒輪17和軸套18 ；
[0010]套筒1內(nèi)裝有小齒輪2、鍵3、小軸承4、軸5、大齒輪17、軸套18、大軸承12和壓環(huán)
13;軸套18、鍵3和小軸承4依次相連，且軸套18、小齒輪2、鍵3和小軸承4均繞軸5轉(zhuǎn)動(dòng)；小齒輪2通過(guò)鍵3、小軸承4、軸5和軸套18傳遞手輪6施加的轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪2與大齒輪17嚙合傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪17的內(nèi)螺紋和錐形模8外螺紋嚙合，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換為錐形套8的前后直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)錐形套8內(nèi)的內(nèi)孔錐面將前后直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為硬質(zhì)合金球11向金屬材料的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)；
[0011]通過(guò)螺栓10-1，將錐形模8固定在模架9的底端；通過(guò)套筒凸臺(tái)7的外螺紋和模架9底部外側(cè)的內(nèi)螺紋，將模架9固定在套筒1上；在模架9的錐形圓孔里放置黃油和多個(gè)硬質(zhì)合金球11 ;轉(zhuǎn)動(dòng)手輪6可使錐形模8和模架9 一起向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)模架9與套筒凸臺(tái)7將要接觸時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪6，松開(kāi)并卸下固定模架9和錐形套8的螺栓10-1 ;然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪6，錐形模8繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)和模架9底端分離；
[0012]固定板及軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)14和壓蓋15位于套管1的下部；潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)16內(nèi)放置有冷卻介質(zhì)22。
[0013]進(jìn)一步地，還對(duì)所述裝置安裝刻度尺10-2和裝卡基準(zhǔn)塊20-1:
[0014]卸掉螺栓10-1，將測(cè)量套管21安裝在套筒1上，刻度尺10-2通過(guò)螺紋與錐形模8的底端連接；裝卡基準(zhǔn)塊20-1，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)19與基準(zhǔn)塊20-1相連，啟動(dòng)后使基準(zhǔn)塊20-1旋轉(zhuǎn)。
[0015]進(jìn)一步地，所述基準(zhǔn)塊20-1為圓柱體，其半徑與金屬材料棒材20-2的半徑相接近。
[0016]進(jìn)一步地，所述硬質(zhì)合金球11的半徑為4mm?15mm，個(gè)數(shù)為6?24個(gè)，均布放入模架9的錐形圓孔中；所述錐形模8內(nèi)孔的錐度為0.1°?1°。
[0017]進(jìn)一步地，所述刻度尺10-2等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺的精度為0.01mmo
[0018]進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)19為機(jī)床，同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)金屬材料轉(zhuǎn)動(dòng)、硬質(zhì)合金球11和模架9軸向進(jìn)給、以及變形潤(rùn)滑冷卻的功能。
[0019]進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)19為車床。
[0020]利用如上所述的裝置進(jìn)行塑性變形的方法，包括如下步驟:
[0021]a.轉(zhuǎn)動(dòng)手輪6使硬質(zhì)合金球11與基準(zhǔn)塊20_1貼合，調(diào)整刻度尺位置，使得刻度尺上的讀數(shù)為0 ;
[0022]b.卸下基準(zhǔn)塊20-1，將金屬材料棒材20-2裝卡到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)19上，設(shè)計(jì)道次壓下量；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪6使得多個(gè)硬質(zhì)合金球11同步向金屬材料棒材20-2移動(dòng)，同時(shí)對(duì)金屬材料棒材20-2壓下；
[0023]c.啟動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)16，對(duì)金屬材料棒材20-2和硬質(zhì)合金球11進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻；
[0024]d.啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)19，金屬材料棒材20-2做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，硬質(zhì)合金球11和模架9 一起沿金屬材料棒材20-2軸向進(jìn)給，多個(gè)硬質(zhì)合金球11對(duì)金屬材料棒材20-2表層同時(shí)進(jìn)行滾碾塑性變形；
[0025]e.步驟c和d反復(fù)交替進(jìn)行，對(duì)金屬材料表層進(jìn)行多道次滾碾塑性變形，直到在金屬材料表層形成梯度微納米結(jié)構(gòu)層；
[0026]f.對(duì)步驟e滾碾成形的金屬材料取樣，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一種或一種以上測(cè)試分析梯度微納米結(jié)構(gòu)層。
[0027]進(jìn)一步地，步驟b中，設(shè)計(jì)道次壓下量為0.05mm?0.1mm。
[0028]進(jìn)一步地，步驟d中，金屬材料棒材20-2的轉(zhuǎn)速為540r/min?1200r/min，硬質(zhì)合金球11和模架9的軸向進(jìn)給量為60mm/min?240mm/min。
[0029]進(jìn)一步地，所述梯度微納米結(jié)構(gòu)層的厚度為400 μ m?1000 μ m。
[0030]本發(fā)明的有益效果為:
[0031]1.本發(fā)明首次利用滾碾塑性變形新技術(shù)制備梯度微納米結(jié)構(gòu)，將梯度微納米結(jié)構(gòu)層的優(yōu)異性能賦予金屬材料的表面，提高金屬材料的綜合性能；本發(fā)明采用多個(gè)硬質(zhì)合金球同時(shí)對(duì)大面積金屬材料表層進(jìn)行滾碾塑性變形處理，顯著提高在金屬材料表層獲得梯度微納米結(jié)構(gòu)的制備效率。
[0032]2.硬質(zhì)合金球在金屬材料表面滾碾塑性變形時(shí)，兩者之間為滾動(dòng)摩擦，故硬質(zhì)合金球?qū)饘俨牧媳砻鏉L碾的同時(shí)進(jìn)行精整壓光，表面光潔，表面質(zhì)量好。
[0033]3.利用現(xiàn)有設(shè)備如車床等就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，無(wú)需專用設(shè)備；可實(shí)現(xiàn)大面積金屬材料表層梯度微納米結(jié)構(gòu)層的可控制備，投資小，成本低。易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化環(huán)境友好生產(chǎn)，在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用方面具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為滾碾裝置示意圖。
[0035]圖2為模架固定到套筒凸臺(tái)后的滾碾裝置示意圖。
[0036]圖3(a)為安裝刻度尺和裝卡基準(zhǔn)塊后的滾碾裝置示意圖；圖3(b)為刻度尺10_2的局部放大圖。
[0037]圖4為金屬材料棒材滾碾初期示意圖。
[0038]圖5為金屬材料棒材滾碾中期示意圖。
[0039]圖6為多排硬質(zhì)合金球滾碾示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式和操作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，將有助于理解本發(fā)明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0041]本發(fā)明附圖中，各標(biāo)號(hào)的具體含義如下:1套筒；2小齒輪；3鍵；4小軸承；5軸；6手輪；7套筒凸臺(tái)；8錐形模；9模架；10-1螺栓；10-2刻度尺；11硬質(zhì)合金球；12大軸承；13壓環(huán)；14固定板及軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)；15壓蓋；16潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)；17大齒輪；18軸套；19旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；20-1基準(zhǔn)塊；20-2金屬材料棒材；21測(cè)量套管；22冷卻介質(zhì)。
[0042]本發(fā)明實(shí)施例中，多個(gè)硬質(zhì)合金球?qū)饘俨牧系谋砻鏉L碾塑性變形是在車床上完成的。將滾碾裝置固定在車床走刀箱的中滑板上，實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給功能；將車床的潤(rùn)滑冷卻管路連接到滾碾裝置的套筒上，形成潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)；金屬材料裝卡到車床的卡盤上，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0043]本發(fā)明中塑性變形處理金屬材料表層的裝置，包括套筒1，小齒輪2，鍵3，小軸承4，軸5，手輪6，套筒凸臺(tái)7，錐形模8，模架9，螺栓10-1，硬質(zhì)合金球11，大軸承12，壓環(huán)13，固定板及軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)14，壓蓋15，潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)16，大齒輪17和軸套18。
[0044]如圖1和圖2所示，套筒1內(nèi)裝有小齒輪2、鍵3、小軸承4、軸5、大齒輪17、軸套18、