[发明专利]金属辊件表面组织纳米重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种辊类工件的表面纳米强化技术，尤其涉及一种金属辊件表面组织纳米重构方法。

背景技术

各种辊类工件是钢铁冶金工具和装备的关键部件，对设备稳定和钢材质量有着的决定性的作用，但是辊类工具的磨损非常严重，部分辊件的更换周期非常短，影响机组的有效工作时间，增加了生产的成本。基于辊件工具工作的特点，材料的失效大多发生在表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对表面结构和性能非常敏感，因此，提高辊件材料表面强度、硬度和耐磨性是延长辊件寿命的有效方法。

材料的失效大多发生在材料表面，因此改变材料表面的组织结构提高材料表面的综合性能指标，一直是世界各国材料工程技术人员潜心研究的重要课题之一。传统的表面改性技术，包括表面淬火、表面(火焰加热及感应加热的表面淬火)、化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铝、渗铬以及离子束表面改性等)、电子束表面改性(电子束表面淬火、表面晶粒细化、表面合金化、表面涂覆和非晶化等)。这些方法在工艺上存在一些众所周知的缺点和使用上局限性，并且都只能通过改变表面层的成分、组织、形态和非晶化的方法提高工件的表面的耐磨损性硬度等综合性能，而不能通过在工件表面层获得复合纳米晶粒来提高工件表面的综合性能。

纳米晶体材料是现代科学发展起来的新型材料。所谓纳米品体是由至少在一维方向上小于100nm的超细晶晶粒组成的单相或多相晶体材料。目前，试图将金属材料表面层晶粒细化至纳米晶粒尺寸的方法有以下几种：

(1)表面涂层或沉积技术，如PVP、CVD溅射镀膜，电镀等方法在基体材料表面生成一层纳米层，该方法涂层与基体，涂层粒子之间的结合力薄弱，容易引起表面层剥离或脱落，同时因表面层与基体化学组成不同，会造成表面层与基体之间的成分和性能的突变。另外设备投资较大，工艺控制难度大，生产成本较高。

(2)表面强烈塑性变形技术，包括锤击、表面轧制、机械研磨等，其目的为实现材料表面晶粒超细化到纳米级水平。其中“落锤法冲击载荷应变诱导在高锰钢表面层获得一层纳米晶表面层”(《金属学报》2001，37(2)：165-170)。“表面轧制可实现表面晶粒细化到纳米尺度”(《JPhysics》，IV，1993，3：1817)。“机械球磨应用于低碳钢颗粒表面实现纳米化”(《金属学报》，2002，38(2)：157-160，J.Mater.Res.1996，11：2677)。

(3)表面喷丸技术，包括如下几种具有代表性工艺技术方法：

(a)中国专利公告号CN2400456和CN1301873，采用工件定位机构和一个具有偏心轮的丸粒发射机构，通过偏心轮转动产生的震动发射刚性丸粒(直径0.1～12mm的钢球)，对材料表面进行多个方向的撞击(丸粒撞击材料表面的频率为10HZ-50KHZ，处理时间1秒～20小时)，使金属材料的表面产生快速强烈塑性变性而形成一定厚度的纳米组织结构。

(b)中国专利公告号CN1336321(FR2812284、WO0210463、AU8408701)提供一种在密闭空间里，放置大量的球状弹丸(如钢球)，通过超声波发生器使弹丸产生3～100m/s的速度，以可变的入射角进行振动运动，在金属零件上形成纳米结构表层。

(c)中国专利公告号CN1336444(FR2812286、WO0210461、AU8224001)和中国专利公告号CN1336445(FR2812285、WO0210462、AU8224101)改进了以上专利的方法(CN2400456、CN1301873、CN1336321)，以压缩空气为动力，在同一撞击点不同的入射角循环喷射完全球状弹丸方法，使材料表面产生随机的强烈塑性变形，并通过喷口的移动，造成材料整体表面层的晶粒细化，同时在表面喷射处理中，对金属零件进行加热处理，加热温度控制在使金属晶粒长大的温度以下。以上专利所提供的这些方法，已经实现了铜、纯铁、低碳钢和奥氏体不锈钢的表面纳米化。

(d)中国专利公告号CN.1410560提供了一种超声速硬质微粒轰击金属材料使表面纳米化的方法，该方法特征在于：采用压缩空气携带硬质微粒，在室温下通过超声速喷嘴喷射于金属材料表面，在金属材料的表面形成纳米晶表面层。但由于轰击在室温下进行，未涉及被处理金属材料的成分及预处理微观组织状态对轰击条件的要求，因而在处理中、高碳钢或低、中合金钢材料的旋转件时，表面容易产生损伤，并在表面层以下产生较大的残余应力，影响其使用性能。