一种金属材料表面改性方法技术

一种金属材料表面改性方法，属于金属材料表面改性技术领域，其特征在于：作用于金属材料表面的加工冲头进行旋转并高频振动，对金属材料表面产生机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料表面层由于反复塑性变形而发生晶粒变形和细化，从而实现金属材料的表面改性。加工冲头的头部形状为弧形、球形或锥台形，改性方法主要的加工参数包括：冲击力、冲击频率、旋转速度、冲头移动速度、两道间的重叠率、预压力、冲头形状及尺寸。本发明专利技术的金属材料表面改性方法能够在金属材料表面形成一层晶粒发生变形细化的改性层，提高材料表面硬度、抗疲劳性能等。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，属于金属材料表面改性
，其特征在于：作用于金属材料表面的加工冲头进行旋转并高频振动，对金属材料表面产生机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料表面层由于反复塑性变形而发生晶粒变形和细化，从而实现金属材料的表面改性。加工冲头的头部形状为弧形、球形或锥台形，改性方法主要的加工参数包括：冲击力、冲击频率、旋转速度、冲头移动速度、两道间的重叠率、预压力、冲头形状及尺寸。本专利技术的金属材料表面改性方法能够在金属材料表面形成一层晶粒发生变形细化的改性层，提高材料表面硬度、抗疲劳性能等。【专利说明】
:本专利技术属于金属材料表面改性
，提供一种改善金属材料表面性能的工艺方法。
技术介绍
在服役环境下，很多金属材料零件的失效破坏源于表面，如表面磨损、表面腐蚀、表面疲劳裂纹起裂等，因此只要提高材料表面性能，就能延长零件的使用寿命。目前常用的金属材料表面改性方法有:表面热处理，表面涂层(电镀、喷涂、堆焊、沉积等)，表面合金化，表面自身纳米化处理(超声喷丸、激光冲击喷丸、超声冲击纳米化、旋转滚压表面纳米化、机械研磨处理)等。其中，表面自身纳米化处理可以在不改变材料成分的情况下获得表面纳米结构层，其基本原理是利用喷丸微粒、冲头或激光冲击波对材料表面进行高频冲击，使材料表面产生反复的强烈塑性变形，材料表面的粗晶组织逐渐碎化至纳米量级，一定厚度范围内，由材料表面向内部过渡，晶粒尺寸逐渐增大，直至原始晶粒尺寸，纳米结构表面层与基体之间没有明显的界面。表面纳米层的获得可以提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳裂纹萌生抗力，从而提高零件的使用寿命。目前的表面自身纳米化处理方法仅是利用对表面的冲击作用实现表面改性，且需使用专用的设备，设备复杂，适用面窄，加工成本高。为此，本专利技术提出一种利用机械冲击、旋转摩擦改善材料表面性能的简便方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种金属材料表面改性的方法，利用对金属材料表面的机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料在距表面一定厚度范围内发生反复塑性变形，使晶粒变形、破碎细化，表面层内形成压应力，表面 层硬度提高，从而提高材料表面耐磨性、抗疲劳性能等性能。所述金属材料表面改性方法，其特征在于:作用于金属材料表面的加工冲头进行旋转并高频振动，对金属材料表面产生机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料表面由于反复塑性变形而发生晶粒变形和细化，从而实现金属材料的表面改性。加工冲头的头部形状为弧形、球形或锥台形，其高频振动和旋转可以利用电锤、电镐、冲击钻来实现，也可以设计专用的、参数可调的电动工具，以实现转速、冲击力、冲击频率等参数的可控调节。针对不同的材料及不同要求，如对不同改性层厚度、不同晶粒细化程度及不同硬度的要求，通过调整加工参数来满足要求，主要的参数包括:冲击力、冲击频率、旋转速度、冲头移动速度、两道间的重叠率、预压力、冲头形状及尺寸。本专利技术的原理:通过冲头对金属材料表面进行机械冲击作用，使表面一定厚度范围内的材料发生反复的塑性变形，旋转摩擦作用使表层金属产生剪切变形，表层金属反复的塑性变形诱发位错的运动及增殖，原始晶粒发生变形或被增殖的位错墙分割，逐渐细化为细晶组织，细晶强化及加工硬化作用使表层金属硬度提高，表层细晶组织提高了表面疲劳裂纹萌生阻力，而内层未变形金属的粗晶组织提高了裂纹向内扩展的阻力，从而使得材料表面的耐磨性、抗疲劳性能等得以提闻。【具体实施方式】加工示意图见附图1，将加工冲头(2)安装在电动工具(I)上，电动工具(I)可以采用电锤、冲击钻、电镐(只冲击，不旋转)或专门设计的电动工具，使冲头垂直于工件(3)表面，施加一定预压力使加工冲头(2)压紧工件(3)，启动电动工具(I)使加工冲头(2)旋转并产生振动冲击，移动电动工具(I)带动冲头(2)在工件(3)表面上移动，完成对整个待加工表面的冲击和旋转摩擦处理。附图2为加工冲头(2)在工件(3)表面上移动的一种方式的示意图，加工冲头(2)由工件(3)边缘开始按照图中带箭头直线方向往复直线移动，由工件一边移向另一边，直至完成对整个表面的处理。冲头移动时，相邻两道之间有一定的重叠率，以保证实现对整个面的覆盖加工。 加工冲头的端部形状如附图3所示，可以为弧形(I)、球形(2)、锥台形(3)，加工冲头尾部直径根据电动工具夹头尺寸确定，一般为直径8-10mm，头部圆弧、圆球的曲率半径或锥台端部直径根据被加工材料及对改性层的要求进行选择，并与冲击力、移动速度等其他参数相匹配。附图4为一个经冲击和旋转摩擦加工后的低碳钢试样截面的扫描电镜形貌，左侧为试样表面，加工条件:电动工具采用电锤，单次冲击力1.5J，冲击频率3900次/min，转速850转/min，定点加工5分钟。可以看出，表面有约20-30 μ m厚的变形层，变形层内晶粒变为流线状且发生细化。附图5为加工后试样截面上的显微硬度(HV)分布示意图，图中横坐标上1，2，3……8为试样截面上由表面向内部硬度测试点代号，可以看出，表面变形层的硬度(1，2，3，4，5点)高于材料内部硬度，且距离表面越近，硬度越高。表面层晶粒的变形细化及硬度的提高有利于提高材料表面耐磨性和抗疲劳性能。【权利要求】1.，其特征在于:作用于金属材料表面的加工冲头进行旋转并高频振动，对金属材料表面产生机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料表面层由于反复塑性变形而发生晶粒变形和细化，从而实现金属材料的表面改性。2.根据权利要求1所述改性方法，加工冲头的头部形状为弧形、球形或锥台形。3.根据权利要求1所述 改性方法,主要的加工参数包括:冲击力、冲击频率、旋转速度、冲头移动速度、两道间的重叠率、预压力、冲头形状及尺寸。【文档编号】C21D7/04GK103484635SQ201210189658【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月11日 优先权日:2012年6月11日 【专利技术者】张元彬, 翟同广, 罗辉, 霍玉双, 刘鹏 申请人:山东建筑大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料表面改性方法，其特征在于：作用于金属材料表面的加工冲头进行旋转并高频振动，对金属材料表面产生机械冲击和旋转摩擦作用，使金属材料表面层由于反复塑性变形而发生晶粒变形和细化，从而实现金属材料的表面改性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张元彬，翟同广，罗辉，霍玉双，刘鹏，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：