一种金属表面剧烈形变合金化的方法技术

本发明专利技术公开了一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，对金属试样的表面进行预处理；步骤二，将合金化金属粉末均匀涂覆在金属试样的表面；步骤三，采用冲击装置对金属试样的表面进行连续冲击处理；步骤四，将合金化金属粉末均匀涂覆在冲击后的金属试样的表面；步骤五，将金属试样放入真空退火炉中进行回复处理。本发明专利技术工艺简单，同时冲压过程中冲击力可控，表面可形成较大残余压应力，有利于防止裂纹的产生，延长使用寿命。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及一种金属表面剧烈形变合金化的方法，属于金属材料表面形变强化


技术介绍

金属材料构件的失效主要起源于表面，因此要求金属材料表面具有优异的性能。合金化可以有效修复表面，提高性能，如强韧性、耐蚀性和耐磨性。剧烈塑性变形是一种新兴的金属表面合金化方法，通过细化晶粒和合金化，并在表面形成压应力，阻碍材料使用过程中裂纹的生成与扩展，提高其使用寿命。
常用的表面剧烈塑性变形方法包括滚压、机械研磨、喷丸等，然而这些方法制得的合金化层深度较浅（一般低于100μm）、合金化程度偏低，同时存在其它问题，如滚压属于低应力状态，因此残余压应力数值及层深较小，材料的疲劳强度提高幅度较小。

技术实现思路

本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种金属表面剧烈形变合金化的方法，解决了现有技术中金属表面合金化效果低、工艺复杂、效率低的技术问题。
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，对金属试样的表面进行预处理；
步骤二，将合金化金属粉末均匀涂覆在金属试样的表面；
步骤三，采用冲击装置对金属试样的表面进行连续冲击处理；
步骤四，将合金化金属粉末均匀涂覆在冲击后的金属试样的表面；
步骤五，将金属试样放入真空退火炉中进行回复处理。
进一步的，所述金属试样包括碳钢、合金钢或有色金属。
进一步的，所述预处理包括依次进行乙醇清洗和表面研磨，研磨分粗磨和细磨，直至金属表面清洁、无氧化物和硬化层。
进一步的，所述合金化金属粉末包括Cr、Ni、Mo、Ti或金属碳化物。
进一步的，在所述步骤二中，合金化金属粉末的颗粒大小为50~100μm，涂覆的厚度为1~3mm。
进一步的，冲击处理的冲击能为1~3J，冲击的频率为20~80次/秒，冲击时间为5~30min。
进一步的，在所述步骤四中，合金化金属粉末的颗粒大小为50~100μm，涂覆的厚度为3~5mm。
进一步的，回复处理的温度为300~600℃，时间为3~12小时。
与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：
1）相比于其它形变合金化方法，合金化层厚度较大、合金化程度更高，同时由于冲击力可控，表面可形成较大残余压应力，有利于防止裂纹的产生，延长使用寿命；
2）本专利技术能够在试样表面形成梯度组织，最表层晶粒细化至纳米级，综合力学性能显著提高；
3）本专利技术工艺简单，提高工作效率，减少投入成本。
附图说明
图1是本专利技术方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
如图1所示，本专利技术的一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，对金属试样的表面进行预处理；
金属试样包括碳钢、合金钢或有色金属；预处理包括依次进行乙醇清洗和表面研磨处理，研磨分粗磨和细磨，直至金属表面清洁、无氧化物和硬化层；
步骤二，将合金化金属粉末均匀涂覆在金属试样的表面；
合金化金属粉末包括Cr、Ni、Mo、Ti或金属碳化物，金属粉末的颗粒大小为50~100μm，涂覆金属粉末的厚度1~3mm。合金化金属粉末可以采用浸镀或粘涂方法涂覆在金属试样的表面；涂覆金属粉末的作用在于冲击处理时能够使形变和合金元素扩散同时进行；
步骤三，采用冲击装置对金属试样的表面进行连续冲击处理；
利用冲击装置（如专利CN2016203990012公开的用于金属表面形变强化的装置），对材料表面进行连续冲击剧烈塑性变形处理，不同金属材料的试样所需冲击处理的参数不同，不同的形变强化厚度所需冲击处理的参数也不同，在冲击装置上设置相应的冲击参数，冲击处理的冲击能为1~3J，冲击的频率为20~80次/秒，冲击时间为5~30min。同时表面可形成较大残余压应力，有利于防止裂纹的产生，提高疲劳周次，延长使用寿命；
步骤四，将合金化金属粉末均匀涂覆在冲击后的金属试样的表面；
第二次涂覆合金化金属粉末的作用在于使下一步进行回复热处理过程中进一步促进合金元素扩散，同时能够防止试样表面氧化，合金化金属粉末的颗粒大小为50~100μm，涂覆合金化金属粉末的厚度为3~5mm。
步骤五，将金属试样放入真空退火炉中进行回复处理。
进一步的，回复处理的温度为300~600℃，时间为3~12小时。回复处理的作用为：一方面使形变后金属表层应力释放、且位错相互运动形成位错胞亚结构；另一方面能够促进合金元素进一步扩散有利于合金化形成。
本专利技术方法工艺简单，提高工作效率，减少投入成本。
实施例1：20钢的表面形变合金化
首先，将20钢板材切割为30mm×40mm的试样，使用丙酮对试样清洗，去除材料表面油污，用清水洗净，使用W20和W50的砂纸进行研磨，直至材料表面基本无明显划痕且方向一致，酒精清洗，烘干备用。之后进行冲击合金化处理，使用冲击设备进行形变处理，使用时夹紧试样，将3mm的Cr粉平铺于试样表面，利用冲击装置进行冲击处理。Cr粉使用约为75μm粒度（200目）的3.5N（表示99.95%的纯度）的纯Cr粉。冲击处理时，采用曲率半径2mm的冲击钻头，冲击能为1J，冲击的频率为80次/秒，冲击时间约30min。最后，在试样表面铺一层5mm厚的Cr粉，并在温度300℃下退火12h，空冷至室温。
经测定，采用本专利技术方法在20钢表面形成Fe与Cr固溶体和Cr的碳化物，其合金层厚度约为250μm，且表层形成合金层后其抗拉强度提高了约20%，屈服强度提高了约24%。
实施例2：Q235钢的表面形变合金化
首先，将Q235钢板材切割为30mm×40mm的试样，使用丙酮对试样清洗，去除材料表面油污，用清水洗净，使用W20和W50的砂纸进行研磨，直至材料表面基本无明显划痕且方向一致，酒精清洗，烘干备用。之后进行冲击合金化处理，使用冲击设备进行形变处理，使用时夹紧试样，将1mm的Cr粉平铺于试样表面，使用冲击头对试样表面进行冲击。Cr粉使用约为75μm粒度（200目）的3.5N（表示99.95%的纯度）的纯Cr粉。冲击处理时，采用2mm的冲击钻头，冲击能为3J，冲击的频率为20次/秒，冲击约5min。最后，在试样表面铺一层3mm厚的Cr粉，并在温度600℃下退火3h，空冷至室温。
经测定，采用本专利技术方法在Q235钢表面形成Fe与Cr固溶体和Cr的碳化物，其合金层厚度约为230μm，且表层形成合金层后其抗拉强度提高了约14%，屈服强度提高了约20%。
以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本专利技术的保护范围。
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【技术保护点】
一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，对金属试样的表面进行预处理；步骤二，将合金化金属粉末均匀涂覆在金属试样的表面；步骤三，采用冲击装置对金属试样的表面进行连续冲击处理；步骤四，将合金化金属粉末均匀涂覆在冲击后的金属试样的表面；步骤五，将金属试样放入真空退火炉中进行回复处理。

【技术特征摘要】
1.一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，对金属试样的表面进行预处理；
步骤二，将合金化金属粉末均匀涂覆在金属试样的表面；
步骤三，采用冲击装置对金属试样的表面进行连续冲击处理；
步骤四，将合金化金属粉末均匀涂覆在冲击后的金属试样的表面；
步骤五，将金属试样放入真空退火炉中进行回复处理。
2.根据权利要求1所述的一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，所述金属试样包括碳钢、合金钢或有色金属。
3.根据权利要求1所述的一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，所述预处理包括依次进行乙醇清洗和表面研磨，研磨分粗磨和细磨。
4.根据权利要求1所述的一种金属表面剧烈形变合金化的方法，其特征是，所述合金化...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛向阳，姚瑶，杨红艳，陈浩，张文君，王章忠，张庆磊，
申请(专利权)人：南京工程学院，江苏共昌轧辊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32