[发明专利]在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法

说明书

技术领域

本发明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，在金属材料表层形成纳米尺寸、亚微米尺寸的超细晶粒组织结构。

背景技术

纳米材料是由结构尺寸小于100nm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究主要针对块体纳米结构材料的合成、制备、结构特征、热稳定性等方面。从已有的方法来看，气相冷凝、机械球磨等方法难以消除所制备材料中的孔洞，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，但设备损耗大，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、亚微米尺度，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：(1)表面涂层。利用涂层和沉积技术如PVD、CVD、溅射镀膜、电镀等方法在基体材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，设备投资较大，生产成本较高，不适用于数量巨大的工程金属材料表面处理；(2)表面机械处理法。利用表面机械研磨处理技术，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，限制了其在工业中的推广，处理的样品形状也有很大的局限性。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。

发明内容

本发明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，工业上易于实现，用其制备的纳米、亚微米结构层不易脱落，并且可以通过控制各种条件来处理复杂形状的工件，同时保证较低的表面粗糙度，还能够使用比较成熟的机械加工冷却技术，从而为全面提高工程金属材料的表面性能提供可能。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种金属材料表面高速变形处理方法，该处理方法装置由工件高速运动机构，刀具进给机构和冷却机构组成。本发明采用一定曲率半径的刀具做轴向进给运动，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4mm---8mm；刀具的轴向进给速度优选范围为150mm/min---250mm/min；被处理工件转速优选范围为600rpm---1000rpm；被处理工件的金属材料表面温度优选范围为-100℃---20℃；冷却介质可以为高压油雾、液氮气体。

本发明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，使表面晶粒通过位错增殖、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对运动的设备均可作为本发明结构，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：10³-10⁶s^-1；

变形应变量：总变形量大于2.9(计算方法：ε为变形量，γ为剪应变)；

变形温度：-196℃---100℃。

本发明具有如下优点：

1.处理方法简单。本发明利用高速变形技术，处理方法简单，易于控制好变形工艺参数和变形温度。对目前传统的切削技术进行必要的改进，优化工艺参数和变形温度，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，从而得到较低的表面粗糙度，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。