一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法.pdf

本发明属于材料表面改性处理技术领域，具体涉及一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法。所述装置主要包括多个硬质合金球，模架，锥形模，齿轮，轴承，手轮，螺栓，刻度尺，旋转机构和基准块等。本发明首次利用滚碾塑性变形新技术制备梯度微纳米结构，将梯度微纳米结构层的优异性能赋予金属材料的表面，提高金属材料的综合性能；本发明采用多个硬质合金球同时对大面积金属材料表层进行滚碾塑性变形处理，显著提高在金属材料表层获得梯度微纳米结构的制备效率。本发明可实现高效可控制备，易于实现工业化环境友好生产，在工业实际应用方面具有良好的应用前景。

权利要求书
1.  一种塑性变形处理金属材料表层的装置，其特征在于，所述装置包括套筒(1)，小齿轮(2)，键(3)，小轴承(4)，轴(5)，手轮(6)，套筒凸台(7)，锥形模(8)，模架(9)，螺栓(10-1)，硬质合金球(11)，大轴承(12)，压环(13)，固定板及轴向进给机构(14)，压盖(15)，润滑冷却系统(16)，大齿轮(17)和轴套(18)；
套筒(1)内装有小齿轮(2)、键(3)、小轴承(4)、轴(5)、大齿轮(17)、轴套(18)、大轴承(12)和压环(13)；轴套(18)、键(3)和小轴承(4)依次相连，且轴套(18)、小齿轮(2)、键(3)和小轴承(4)均绕轴(5)转动；小齿轮(2)通过键(3)、小轴承(4)、轴(5)和轴套(18)传递手轮(6)施加的转动，小齿轮(2)与大齿轮(17)啮合传递转动，大齿轮(17)的内螺纹和锥形模(8)外螺纹啮合；通过螺栓(10-1)，将锥形模(8)固定在模架(9)的底端；通过套筒凸台(7)的外螺纹和模架(9)底部外侧的内螺纹，将模架(9)固定在套筒(1)上；在模架(9)的锥形圆孔里放置黄油和硬质合金球(11)；
固定板及轴向进给机构(14)和压盖(15)位于套管(1)的下部；润滑冷却系统(16)内放置有冷却介质(22)。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还对所述装置安装刻度尺(10-2)和装卡基准块(20-1)：
卸掉螺栓(10-1)，将测量套管(21)安装在套筒(1)上，刻度尺(10-2)通过螺纹与锥形模(8)的底端连接；装卡基准块(20-1)，旋转机构(19)与基准块(20-1)相连，启动后使基准块(20-1)旋转。

3.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基准块(20-1)为圆柱体。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硬质合金球(11)的半径为4mm～15mm，个数为6～24个，均布放入模架(9)的锥形圆孔中；所述锥形模(8)内孔的锥度为0.1°～1°。

5.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刻度尺(10-2)等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺的精度为0.01mm。

6.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旋转机构(19)为机床，同时具备实现金属材料转动、硬质合金球(11)和模架(9)轴向进给、以及变形润滑冷却的功能。

7.  利用权利要求1-6任一项所述的装置进行塑性变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.转动手轮(6)使硬质合金球(11)与基准块(20-1)贴合，调整刻度尺位置，使得刻度尺上的读数为0；
b.卸下基准块(20-1)，将金属材料棒材(20-2)装卡到旋转机构(19)上，设计道次压下量；转动手轮(6)使得多个硬质合金球(11)同步向金属材料棒材(20-2)移动，同时对金属材料棒材(20-2)压下；
c.启动润滑冷却系统(16)，对金属材料棒材(20-2)和硬质合金球(11)进行润滑冷却；
d.启动旋转机构(19)，金属材料棒材(20-2)做高速旋转运动，硬质合金球(11)和模架(9)一起沿金属材料棒材(20-2)轴向进给，多个硬质合金球(11)对金属材料棒材(20-2)表层同时进行滚碾塑性变形；
e.步骤c和d反复交替进行，对金属材料表层进行多道次滚碾塑性变形，直到在金属材料表层形成梯度微纳米结构层；
f.对步骤e滚碾成形的金属材料取样，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一种或一种以上测试分析梯度微纳米结构层。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤b中，设计道次压下量为0.05mm～0.1mm。

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤d中，金属材料棒材(20-2)的转速为540r/min～1200r/min，硬质合金球(11)和模架(9)的轴向进给量为60mm/min～240mm/min。

10.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述梯度微纳米结构层的厚度为400μm～1000μm。

说明书一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法
技术领域
本发明属于材料表面改性处理技术领域，具体涉及一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法。
背景技术
金属材料的失效如疲劳裂纹、摩擦磨损和腐蚀等，往往开始于材料表面。对金属材料表层改性处理，在金属材料表层获得梯度微纳米结构层，可以实现强度和塑性相互匹配的力学性能，同时提高金属材料的疲劳性能，提高构件的服役寿命。塑性变形技术是在金属材料表层制备梯度微纳米结构的强有力手段，主要方法有：超声喷丸、高能喷丸、表面超声冲击处理(UltrasonicSurfaceProcessing和UltrasonicImpactPeening)、表面机械研磨处理、表面机械碾压处理、机械滚压处理、丝刷处理和滑动摩擦处理等。
喷丸技术存在噪音大和粉尘污染环境等问题，表面超声冲击技术存在耗能、产生噪音及制备效率低等问题。表面机械研磨处理工件表面粗糙度稍大，操作过程繁琐，实现连续和大规模生产的难度较大，难以满足实际应用要求，限制了其在工业中的推广。
中国发明专利，表面机械碾压(碾磨)方法(申请号200710011724.6、申请号201210103152.5、申请号201310033995.7、申请号201310185394.8及申请号201310185394.8)处理金属材料表层的面积较小，制备效率低。
中国发明专利，表面机械滚压方法(申请号200710037030.X、申请号201210287363.9、申请号200920025738.8、申请号201410430544.1、申请号200810204386.2、申请号200910047694.3及文献“PengfeiChui,KangningSun,ChangSun,etal.EffectEffectofsurfacenanocrystallizationinducedbyfastmultiplerotationrollingonmechanicalpropertiesofalowcarbonsteel.MaterialsandDesign.2012,35:754-759”和“白涛、李东、关凯书.机械滚压对304L不锈钢组织和性能的影响.金属学报，2011,47(11)：1459-1463”)公开了采用旋转圆柱形工具的端面(端面为平面、圆弧曲面、在平端面安装多个滚珠或圆柱滚针)或圆形滚轮(轧辊)压入金属表面，产生强烈的塑性变形。这些方法处理金属表面的全过程并非连续成形，金属表面不够光洁，制备效率低，实现连续化和规模化生产的难度较大。
中国发明专利，滑动摩擦处理方法(申请号201110277356.6、申请号200510110985.4)公开了采用重复循环滑动摩擦，使得金属材料表面晶粒尺寸细化至纳米尺寸，最终实现金属材料表面纳米化。该方法制备效率低、表面不够光洁，很难满足工业实际生产的要求。
上述方法能够在金属材料表层实现梯度微纳米结构，提高金属材料表层性能，进而提高 金属构件的综合性能，但在大面积金属材料表层工业规模化、高效批量化和环境友好制备梯度微纳米结构方面仍然有诸多不足，使得通过金属材料表层形成梯度微纳米结构，提高金属构件综合性能，难以在工业实际中获得大量应用。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提出了一种塑性变形处理金属材料表层的装置和方法，具体技术方案如下：
一种塑性变形处理金属材料表层的装置，包括套筒1，小齿轮2，键3，小轴承4，轴5，手轮6，套筒凸台7，锥形模8，模架9，螺栓10-1，硬质合金球11，大轴承12，压环13，固定板及轴向进给机构14，压盖15，润滑冷却系统16，大齿轮17和轴套18；
套筒1内装有小齿轮2、键3、小轴承4、轴5、大齿轮17、轴套18、大轴承12和压环13；轴套18、键3和小轴承4依次相连，且轴套18、小齿轮2、键3和小轴承4均绕轴5转动；小齿轮2通过键3、小轴承4、轴5和轴套18传递手轮6施加的转动，小齿轮2与大齿轮17啮合传递转动，大齿轮17的内螺纹和锥形模8外螺纹啮合，将旋转运动方式转换为锥形套8的前后直线运动，通过锥形套8内的内孔锥面将前后直线运动进一步转换为硬质合金球11向金属材料的进退运动；
通过螺栓10-1，将锥形模8固定在模架9的底端；通过套筒凸台7的外螺纹和模架9底部外侧的内螺纹，将模架9固定在套筒1上；在模架9的锥形圆孔里放置黄油和多个硬质合金球11；转动手轮6可使锥形模8和模架9一起向前运动；当模架9与套筒凸台7将要接触时，停止转动手轮6，松开并卸下固定模架9和锥形套8的螺栓10-1；然后继续转动手轮6，锥形模8继续向前运动和模架9底端分离；
固定板及轴向进给机构14和压盖15位于套管1的下部；润滑冷却系统16内放置有冷却介质22。
进一步地，还对所述装置安装刻度尺10-2和装卡基准块20-1：
卸掉螺栓10-1，将测量套管21安装在套筒1上，刻度尺10-2通过螺纹与锥形模8的底端连接；装卡基准块20-1，旋转机构19与基准块20-1相连，启动后使基准块20-1旋转。
进一步地，所述基准块20-1为圆柱体，其半径与金属材料棒材20-2的半径相接近。
进一步地，所述硬质合金球11的半径为4mm～15mm，个数为6～24个，均布放入模架9的锥形圆孔中；所述锥形模8内孔的锥度为0.1°～1°。
进一步地，所述刻度尺10-2等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺的精度为0.01mm。
进一步地，所述旋转机构19为机床，同时具备实现金属材料转动、硬质合金球11和模 架9轴向进给、以及变形润滑冷却的功能。
进一步地，所述旋转机构19为车床。
利用如上所述的装置进行塑性变形的方法，包括如下步骤：
a.转动手轮6使硬质合金球11与基准块20-1贴合，调整刻度尺位置，使得刻度尺上的读数为0；
b.卸下基准块20-1，将金属材料棒材20-2装卡到旋转机构19上，设计道次压下量；转动手轮6使得多个硬质合金球11同步向金属材料棒材20-2移动，同时对金属材料棒材20-2压下；
c.启动润滑冷却系统16，对金属材料棒材20-2和硬质合金球11进行润滑冷却；
d.启动旋转机构19，金属材料棒材20-2做高速旋转运动，硬质合金球11和模架9一起沿金属材料棒材20-2轴向进给，多个硬质合金球11对金属材料棒材20-2表层同时进行滚碾塑性变形；
e.步骤c和d反复交替进行，对金属材料表层进行多道次滚碾塑性变形，直到在金属材料表层形成梯度微纳米结构层；
f.对步骤e滚碾成形的金属材料取样，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一种或一种以上测试分析梯度微纳米结构层。
进一步地，步骤b中，设计道次压下量为0.05mm～0.1mm。
进一步地，步骤d中，金属材料棒材20-2的转速为540r/min～1200r/min，硬质合金球11和模架9的轴向进给量为60mm/min～240mm/min。
进一步地，所述梯度微纳米结构层的厚度为400μm～1000μm。
本发明的有益效果为：
1.本发明首次利用滚碾塑性变形新技术制备梯度微纳米结构，将梯度微纳米结构层的优异性能赋予金属材料的表面，提高金属材料的综合性能；本发明采用多个硬质合金球同时对大面积金属材料表层进行滚碾塑性变形处理，显著提高在金属材料表层获得梯度微纳米结构的制备效率。
2.硬质合金球在金属材料表面滚碾塑性变形时，两者之间为滚动摩擦，故硬质合金球对金属材料表面滚碾的同时进行精整压光，表面光洁，表面质量好。
3.利用现有设备如车床等就可以实现本发明，无需专用设备；可实现大面积金属材料表层梯度微纳米结构层的可控制备，投资小，成本低。易于实现工业化环境友好生产，在工业实际应用方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为滚碾装置示意图。
图2为模架固定到套筒凸台后的滚碾装置示意图。
图3(a)为安装刻度尺和装卡基准块后的滚碾装置示意图；图3(b)为刻度尺10-2的局部放大图。
图4为金属材料棒材滚碾初期示意图。
图5为金属材料棒材滚碾中期示意图。
图6为多排硬质合金球滚碾示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式和操作过程进行详细说明，将有助于理解本发明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
本发明附图中，各标号的具体含义如下：1套筒；2小齿轮；3键；4小轴承；5轴；6手轮；7套筒凸台；8锥形模；9模架；10-1螺栓；10-2刻度尺；11硬质合金球；12大轴承；13压环；14固定板及轴向进给机构；15压盖；16润滑冷却系统；17大齿轮；18轴套；19旋转机构；20-1基准块；20-2金属材料棒材；21测量套管；22冷却介质。
本发明实施例中，多个硬质合金球对金属材料的表面滚碾塑性变形是在车床上完成的。将滚碾装置固定在车床走刀箱的中滑板上，实现轴向进给功能；将车床的润滑冷却管路连接到滚碾装置的套筒上，形成润滑冷却系统；金属材料装卡到车床的卡盘上，实现高速旋转运动。
本发明中塑性变形处理金属材料表层的装置，包括套筒1，小齿轮2，键3，小轴承4，轴5，手轮6，套筒凸台7，锥形模8，模架9，螺栓10-1，硬质合金球11，大轴承12，压环13，固定板及轴向进给机构14，压盖15，润滑冷却系统16，大齿轮17和轴套18。
如图1和图2所示，套筒1内装有小齿轮2、键3、小轴承4、轴5、大齿轮17、轴套18、大轴承12和压环13；轴套18、键3和小轴承4依次相连，且轴套18、小齿轮2、键3和小轴承4均绕轴5转动；小齿轮2通过键3、小轴承4、轴5和轴套18传递手轮6施加的转动，小齿轮2与大齿轮17啮合传递转动，大齿轮17的内螺纹和锥形模8外螺纹啮合，将旋转运动方式转换为锥形套8的前后直线运动，通过锥形套8内的内孔锥面将前后直线运动进一步转换为硬质合金球11向金属材料的进退运动。
通过螺栓10-1，将锥形模8固定在模架9的底端；通过套筒凸台7的外螺纹和模架9底部外侧的内螺纹，将模架9固定在套筒1上；在模架9的锥形圆孔里放置黄油和多个硬质合 金球11；转动手轮6可使锥形模8和模架9一起向前运动；当模架9与套筒凸台7将要接触时，停止转动手轮6，松开并卸下固定模架9和锥形套8的螺栓10-1；然后继续转动手轮6，锥形模8继续向前运动和模架9底端分离。
固定板及轴向进给机构14和压盖15位于套管1的下部；润滑冷却系统16内放置有冷却介质22。
如图3、图4和图5所示，卸掉螺栓10-1，将测量套管21安装在套筒1上，刻度尺10-2通过螺纹与锥形模8的底端连接；将基准块20-1装卡到车床的卡盘上，转动手轮6让锥形套8向前或向后运动，使得硬质合金球11紧贴基准块20-1，此时基准块20-1与硬质合金球11的间隙为零；转动刻度尺10-2使得测量套管21外径最小端与刻度尺上的读数0交汇，刻度尺10-2上的读数0表示硬质合金球11与基准块20-1之间的间隙值为0；轻微转动手轮6，使得硬质合金球11与基准块20-1不紧贴，刻度尺10-2上的读数负数为硬质合金球11与基准块20-1之间的间隙值。
卸下基准块20-1，将金属材料棒材20-2装卡到车床的卡盘上，设计道次压下量(0.05mm～0.1mm)，道次压下量在刻度尺10-2上的读数为(基准块半径-金属材料棒材半径+设计道次压下量)×100。例如基准块的半径为50mm，金属材料棒材的半径40.95mm，设计道次压下量为0.05mm，需要转动手轮使得刻度尺上的读数为(50-40.95+0.05)×100＝10，基准块20-1的半径为50mm，金属材料棒材的半径50.1mm，设计道次压下量为0.05mm，需要转动手轮6使得刻度尺10-2上的读数为(50-50.1+0.05)×100＝-5。转动手轮6使得多个硬质合金球11同步向金属材料棒材20-2移动，同时对金属材料棒材20-2压下。
启动润滑冷却系统16，给金属材料棒材20-2和硬质合金球11浇润滑冷却液。开动车床，金属材料棒材20-2高速转动，转速为540r/min～1200r/min，走刀箱(硬质合金球)的轴向进给量为60mm/min～240mm/min，硬质合金球11在高速转动金属材料棒材20-2的表层滚碾塑性变形。
滚碾完一道次后，转动手轮6，使得硬质合金球11脱开金属材料棒材20-2，手摇车床手轮将金属材料棒材20-2从多个硬质合金球11形成的模腔中退出。再次启动润滑冷却系统16，给金属材料棒材20-2和硬质合金球11浇润滑冷却液。随后重新设计道次压下量，进行后续多道次滚碾塑性变形，直到在金属材料棒材20-2表面形成梯度微纳米结构层。对滚碾塑性变形后的金属材料棒材20-2取样，采用TEM、HREM、SEM、EBSD和XRD中的一种或一种以上测试分析金属材料表层梯度微纳米结构。
如图6所示，本发明亦可采用多排硬质合金球对金属材料棒材滚碾塑性变形处理，进一 步提高梯度微纳米结构层的制备效率。
实施例1
采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为60mm的纯锆棒材。硬质合金球半径为12mm，硬质合金球的个数为8，纯锆棒材的转速为720r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为126mm/min，硬质合金球道次压下量为0.05mm。采用乳化液润滑冷却，对纯锆棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为480μm。
实施例2
采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理规格为Φ90mm×20mm的纯钛厚壁管材。硬质合金球半径为6mm，硬质合金球的个数为18，纯钛厚壁管材的转速为600r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为72mm/min，硬质合金球道次压下量为0.05mm。采用乳化液润滑冷却，对纯纯钛厚壁管材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为415μm。
实施例3
采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为60mm的纯铌棒材。硬质合金球半径为4mm，硬质合金球的个数为22，纯铌棒材的转速为960r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为180mm/min，硬质合金球道次压下量为0.06mm。采用乳化液润滑冷却，对纯铌棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为520μm。
实施例4
采用滚碾塑性变形技术，在卧式车床上塑性变形处理半径为50mm的纯钽棒材。硬质合金球半径为8mm，硬质合金球的个数为8个，纯钽棒材的转速为1200r/min，硬质合金球和模架的轴向进给量为240mm/min，硬质合金球道次压下量为0.08mm。采用乳化液润滑冷却，对纯铌棒材滚碾塑性变形后，梯度微纳米结构层的厚度约为945μm。