[发明专利]一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理技术，特别提供了在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。

背景技术

目前，在轴类金属材料表面形成梯度结构的方法主要有：

①表面机械研磨处理方法

表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形，引入大量的缺陷，如位错、孪晶、剪切带等，当位错密度足够大时发生位错湮灭、重组，形成纳米尺寸晶粒，晶粒尺寸沿厚度方向呈逐渐增大的梯度结构。优点：材料整体疲劳性能提高，纳米结构表层具有较高扩散能力，有利于低温渗氮等化学处理。缺点：被处理材料表面粗糙度较大。

②滚压方法

滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，滚压是一种无切削的塑性加工方法。优点：工件表面粗糙度降低，提高表面硬度，提高疲劳性能，减少磨损，延长使用寿命。缺点：滚压技术的优势在于使工件的表面光洁度提高，至于提高表面硬度及疲劳性能是有限度的，因为滚压技术是不可能使工件表面形成纳米晶体结构，甚至不能形成亚微米结构。根据Hall-Petch关系，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大，所以滚压技术对提高工件的表面硬度是有限的。

③表面机械碾压方法

表面机械碾压方法是通过刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，从而提高工件表面的强度和耐磨性。优点：可以使被加工工件的表面形成纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用硬质合金球在轴类金属材料表层通过塑性变形从而形成纳米梯度组织的表面处理方法，解决现有技术中存在的被处理材料表面粗糙度较大、表面光洁度不好、工件表面难以形成纳米晶体结构等问题。

本发明的技术方案是：

一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，采用球形处理刀具在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时球形处理刀具沿被处理工件轴向运动，通过在材料表层产生塑性变形的处理方法，通过强烈的塑性变形，使被处理工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，被处理工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。

其中，纳米层的厚度为5微米～30微米，亚微米层的厚度为50微米～100微米，晶粒变形层的厚度为50微米～200微米，初始晶粒组织的厚度取决于轴类金属材料的直径。

该处理方法是通过轴类金属材料转动系统、球形处理刀具、刀具自动进给系统和冷却润滑系统实现的，其中：轴类金属材料转动系统和刀具自动进给系统是由车床实现，被处理工件安装于轴类金属材料转动系统的输出端，轴类金属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，球形处理刀具与被处理工件的一侧相对，通过刀具自动进给系统控制球形处理刀具在被处理工件表面的进给量，被处理工件的另一侧设置冷却润滑系统，在加工过程中冷却润滑系统用润滑油冷却被处理工件，同时降低被处理工件和球形处理刀具之间的摩擦系数。本发明球形处理(加工)刀具可由1-4个硬质合金球组成，根据被处理工件力学性能(如硬度)、形状、直径大小，选用相应的刀具大小及球的直径，球的直径从6毫米-20毫米。被处理工件高速旋转，根据其直径大小，被处理工件的旋转速度在90毫米/秒-300毫米/秒之间。球形处理刀具在车床刀具自动进给系统的刀架上做轴向单方向运动，对被处理工件(轴类金属材料)表面每次加工的压下量从10微米/次-40微米/次，球形处理刀具的轴向运动速度6毫米/分钟-50毫米/分钟，加工次数从3次-20次。冷却介质和加工润滑剂均采用润滑油循环系统实现。

本发明中，被处理工件加工处理的温度为室温至零下100℃。

本发明具有如下优点：

1.加工方法简单。只需要设计适宜的处理刀具，在目前商用车床上即可实现本发明。