[发明专利]通过波纹轧制实现金属材料表面梯度强化的方法

说明书

本发明提出了一种通过波纹轧制实现金属材料表面梯度强化的方法，该方法工业上应用的波纹轧制和平辊轧制相结合利用，通过反复轧制并不断转换轧制样品的方向，使板材表面各部位都实现局部集中变形，获得分布均匀的表面大应变浅变形层，从而在整个金属板材上形成由表及里，硬度逐渐降低的梯度强化结构，可以制备具有由表及里梯度强化的金属板材。首先，这种方法摆脱了目前已有的表面变形技术中表面强化层较浅的问题；其次，本发明容易进行产业化生产，并有效提高金属材料的表面强度。

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种通过波纹轧制实现金属材料表面梯度强化的方法。

背景技术

随着科技的发展，服役环境对金属构件力学、物理和化学等性能的要求越来越高，要求有更高的强度、塑性和抗疲劳性能。但是随着强度的提升，材料的其他性能，如塑性和抗疲劳性能往往会降低，而且强度越高，这些性能降低得更明显。在实际应用中，材料的失效大多发生在表面或亚表面，这直接影响到零部件的综合服役性能，因此金属材料的表面强化是限制其应用的重要加工工序。

目前，金属表面强化技术主要分为表面形变强化、表面化学热处理、表面淬火处理、激光表面处理等。其中，表面形变强化处理是常用的表面强化方法。通过机械冷挤压或高能束冲击使金属表面晶粒细化和产生残余压应力层，从而显著提高金属表面硬度和强度。其中表面细化的组织和大量位错能够有效抑制疲劳裂纹萌生，表面残余压应力和内部粗大晶粒降低了裂纹的扩展速率，从而有效提高材料的疲劳寿命。

目前主要的表面形变强化技术包括喷丸强化、超声冲击强化和水射流冲击强化等技术。喷丸强化是常用的一种表面强化方式，它是以高速弹丸流撞击工件表面，使得工件表层在弹丸流的连续敲击下产生一定深度的塑性变形区，从而实现表层结构细化和高密位错和晶格缺陷引入，实现表面强化的目的。超声冲击强化是将超声谐波振荡利用换能器转换为冲击脉冲来对工件表面进行冲击变形，实现对材料表面进行高频冲击强化。水射流冲击强化是以高能高速水射流冲击工件表面，材料表层因受到巨大冲击而发生塑性变形，形成一定厚度的硬化层。虽然利用这些表面形变强化能够有效提高金属材料表面强度和硬度，但是当前这些表面形变强化方法存在一个严重的问题是金属表面强化层较浅，例如喷丸强化的强化层厚度一般在几百微米，虽然利用超声冲击能够产生1-2mm厚的硬化层，但是超声冲击技术存在能量输出不稳定以及处理后性能稳定性差等问题。

研究表明，具有梯度硬度分布材料往往表现出有更优异强度、塑性等综合力学性能，但是这种方法尚未在金属表面强化领域应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种能实现大深度表面层强化并且梯度强度分布调控的金属表面强化方法，以优化金属材料的性能并拓展其服役范围。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种通过波纹轧制实现金属材料表面梯度强化的方法，其包括以下步骤：

步骤1、原料处理：用线切割机把需要进行表面强化处理的金属材料切成方形或者矩形的板材，所述板材可以为纯金属板材或合金板材，且所述板材的厚度小于轧辊最大间距；

步骤2、对所述板材进行使用波纹辊2道次后平辊轧制或者3道次后平辊轧制，对所述金属材料分别进行2道次或者3道次波纹辊轧制后，再进行一道次的平辊轧制，且所述波纹辊的波纹波峰高度小于所述板材的厚度，如果所述板材为纯金属板材，则所述板材的厚度为所述波纹辊波峰高度的8倍以上；如果所述板材为合金板材，则所述板材的厚度为所述波纹辊波峰高度的5倍以上；

其中所述2道次后平辊轧制，包括以下具体步骤：

步骤201、利用波纹辊实施第1道次波纹轧制，方向设定为平行于所述板材的一个边；

步骤202、将所述板材旋转90度进行第2道次波纹轧制；

步骤203、利用平轧辊对所述板材进行小压下量的平轧轧制；