專利名稱：摩擦滾壓制備金屬表面納米層的方法
技術領域：
本發明涉及一種納米技術領域的制備方法，尤其是一種金屬材料表面的摩擦 滾壓納米化方法。
背景技術：
納米結構材料集優異的力學性能和獨特的物理性能于一體，己經引起了廣大 研究者和工業界的極大興趣。但是，塊體納米結構材料的制備仍然是材料學界的 難題之一，并且所制造的塊體納米材料難以進行工業應用。而在實際應用中，金 屬材料的失效大多發生在材料的表面，表面的結構性能直接影響工程金屬材料的 綜合服役性能。因此只要在材料上制備出一定厚度的納米結構表層，即實現表面 納米化，就可以通過表面組織和性能的優化提高材料的整體性能，如抗疲勞性、 耐腐蝕性和抗摩擦性，延長材料的使用壽命。
現有的金屬材料表面納米化的方法主要有兩類，第一類為表面涂層或沉積納 米化，即在金屬材料表面涂敷或沉積一層本身具有納米尺度和性能的膜層，主要 技術有物理蒸發沉積(PVD)、化學蒸發沉積(CVD)，濺射鍍膜，電鍍和噴涂等。
由于存在涂層與基體之間、涂層粒子之間結合力較弱的缺點，很容易引起表層剝 離或脫落。而且存在設備投資大生產成本高，限制了該類方法的工業化應用。第 二類為機械表面研磨納米化，即使用機械方法使金屬表面產生劇烈塑性變形，從
而細化表面組織。主要技術有高能噴丸、超聲噴丸、滾壓等方法。該類方法制 備的表面納米層與基體組織之間不存在明顯的界面，不會發生脫落和分離，從而 大幅提高材料使用性能。但該類方法仍存在一些局限性，如生產效率低、設備復 雜、成本較高等缺點，很難進行工業化推廣。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利"機械零件的表面滾壓納米化
方法"，公開號CN1621197A，
公開日2005年6月1日；中國發明專利"零件的 滾壓硬化方法"，公開號CN1119841A，
公開日為1996年4月3日。該兩項專利 都涉及一種零件表面的滾壓強化方法。即在一定載荷條件下，使用滾輪在零件表面上沿著一個方向或者兩個方向上反復滾壓，使零件表面發生劇烈塑性變形，位 錯不斷增殖和運動。 一方面提高了金屬材料表面及較淺表層的硬度，同時在材料 表層下產生殘余壓應力；另一方面也細化了表層的組織。但使用的方法都僅是簡 單的滾壓，即材料只受到壓應力，沒有剪切應力的作用，組織細化能力較弱，很 難產生表層納米化效果。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種金屬材料表面摩擦滾壓 納米化方法，使其以簡單的工藝和設備解決背景技術中存在的缺憾，提高表層納 米化能力和細化效率，使零件表面得到優異性能，提高服役壽命，同時使這種納 米化方法易于實現工業化生產。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明采用支架和圓形的剛性滾輪對金 屬材料表面施加一個壓應力P。支架帶動滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由 支架控制，支架移動的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬 表面不但受到壓應力還受到剪切應力的作用，使金屬材料表面產生劇烈塑性變 形，導致晶粒細化，并最終實現金屬材料表面納米化。
所述支架運動方式可為間歇運動或連續運動。
所述間歇運動，是指支架帶動滾輪沿X方向以固定速度Vx往復運動，當完 成X方向的滾壓后，支架沿與X軸任意夾角的Y方向移動一定位移D，然后再沿 X方向以固定速度Vj袞壓，持續滾壓直至完全覆蓋整個金屬表面。
所述連續運動，是指支架同時沿平行于金屬表面的任意夾角的X方向和Y
方向移動，直至滾壓完整個金屬表面。
本發明中，X方向是指滾輪滾動方向，Y方向與X方向之間有一角度，兩個 方向都平行于金屬表面。
所述滾輪的速度大于或小于支架的移動速度，滾輪的速度采取動力驅動或摩 擦制動。
本發明中，所述支架運動的同時還需帶動滾輪旋轉，或給滾輪一個定量摩擦 力，使其減速旋轉，即滾輪滾壓面的線速度Vft不等于支架移動速度Vs:，存在一 個速度差V^Iv^ — v^。這樣，在滾壓過程中，滾輪對金屬材料表面施加一個 壓應力P的同時，產生一個剪切力T。使金屬材料表面產生劇烈剪切變形，導致材料表面晶粒細化，并最終實現金屬材料的表面納米化。對于不同的金屬材料， 其實現表面納米化的最低壓力P和速度差Vg是不同的。 一般來說，在其他因素 相同時，壓力P和速度差V^越大，形成的納米晶越細。經一定量的反復摩擦滾 壓后即可獲得納米結構的金屬表層。本發明制得的金屬納米層為表面材料原位生 產納米膜層，與金屬基體結合良好。
所述的剛性滾輪的直徑沒有一定的要求。滾輪可以為單個輪子，也可以為多 個輪子的滾輪組。滾輪寬度沒有特定要求。本發明中主要細化因素是滾輪線速度 與支架速度之間的速度差，以及滾輪給金屬材料的正壓力P。對于不同的材料需 要的正壓力P不同，但正壓力P應足以使材料表面產生一個微量的塑性變形。間 歇運動時每次Y方向的位移量D應為滾輪寬度的0.2 1倍。連續運動時，支架 沿夾角為45 90°的X方向和Y方向同時運動。滾輪線速度與支架速度之間的速 度差沒有一定要求， 一般V^取值范圍為0.5 1.5V支。
本發明通過摩擦滾壓產生的剪切力和壓應力使金屬材料表面產生劇烈快速 的塑性變形。可大大提高金屬表面納米化的效率和能力。整套裝置結構簡單，加 工容易，實用性強，易于普及。可以用于純金屬、合金、金屬基復合材料等材料 的表面納米化。本發明具有晶粒細化能力強、效率高、操作方便、結構簡單、實 用性強、易于普及的優點。
圖l本發明實施例示意圖； 圖2為圖1所示的平面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。
實施例1
如圖1和圖2所示，本實施例中涉及的設備包括固定在滾壓機床上的支架1 和半徑為20mra寬為10mm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V,-100mm/秒的速度沿X方向移動，支架1移動的同時帶動滾輪2以角速度a=l. 2轉/秒轉動，則滾輪2滾壓面的線速度為Vft= a (角速度轉速)X 2 n XR (輪半徑)450mm/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V差為50咖/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時附加一個滑動摩擦。當X方向滾壓結束后，支架l帶 動滾輪2沿與X方向夾角為90度的Y方向移動10mm，繼續X方向滾壓，反復滾 壓16遍及獲得了平均晶粒尺寸小于100nm的表面納米層。
實施例2
如圖1和圖2所示，本實施例中涉及的設備包括固定在滾壓機床上的支架1 和半徑為30mm寬為15mm的滾輪2，金屬材料為鋁合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V^200mm/秒的速度沿X方向移動，同時以V^20mm/秒的速度沿Y
方向移動，X與Y方向夾角為90度，即支架1移動速度為Vs=a/2002 +202 =201。 支架1移動的同時給滾輪2—個摩擦力，使其以角速度3=0.8轉/秒轉動，則滾 輪2滾壓面的線速度為Vft= a(角速度轉速)X2n XR (輪半徑)=150咖/秒，滾 輪2與支架1之間的速度差V差為49mm/秒，即在滾輪2滾壓鋁合金板3的同時 附加一個滑動摩擦。反復滾壓12遍及可獲得平均晶粒尺寸小于200nm的表面納 米層。
實施例3
如圖1和圖2所示，本實施例中涉及的設備包括固定在滾壓機床上的支架1 和半徑為20mm寬為lOmm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V^100rara/秒的速度沿X方向移動，支架1移動的同時帶動滾輪2 以角速度『0.4轉/秒轉動，則滾輪2滾壓面的線速度為V^a(角速度轉速)X2n XR (輪半徑)=50咖/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V差為50順/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時附加一個滑動摩擦。當X方向滾壓結束后，支架l帶 動滾輪2沿與X方向夾角為45度的Y方向移動2ran，繼續X方向滾壓，反復滾 壓8遍及獲得了晶粒尺寸小于150nm的表面納米層。實施例4
如圖1和圖2所示，本實施例中涉及的設備包括固定在滾壓機床上的支架1 和半徑為20mm寬為10mm的滾輪2，金屬材料為鎂合金板3。滾輪2安裝在支架 l上，并按壓在鎂合金板3上。
支架1以V尸100mm/秒的速度沿X方向移動，支架1移動的同時帶動滾輪2 以角速度a-O. 4轉/秒轉動，則滾輪2滾壓面的線速度為Vft= a(角速度轉速)X 2 n XR (輪半徑^50rara/秒，滾輪2與支架1之間的速度差V ^為50mm/秒，即在滾 輪2滾壓鎂合金板3的同時附加一個滑動摩擦。當X方向滾壓結束后，支架1帶 動滾輪2沿與X方向夾角為60度的Y方向移動6醒，繼續X方向滾壓，反復滾 壓10遍及獲得了晶粒尺寸小于150nm的表面納米層。
權利要求
1、一種金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征在于采用支架和圓形的剛性滾輪對金屬材料表面施加一個壓應力，支架帶動滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由支架控制，支架移動的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬表面同時受到壓應力和剪切應力的作用，使金屬材料表面產生塑性變形，最終實現金屬材料表面納米化。
2、 根據權利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述滾輪的速度大于或小于支架的移動速度，滾輪的速度采取動力驅動或摩擦制 動。
3、 根據權利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述支架運動方式為間歇運動或連續運動。
4、 根據權利要求3所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是，所述間歇運動，是指支架帶動滾輪沿X方向以固定速度Vx往復運動，當完成X方向的滾壓后，支架沿與X軸任意夾角的Y方向移動一定位移D，然后再沿X方 向以固定速度V,滾壓，持續滾壓直至完全覆蓋整個金屬表面。
5、 根據權利要求4所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述間歇運動時每次Y方向的位移量D為滾輪寬度的0. 2 1倍。
6、 根據權利要求3所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述連續運動，是指支架同時沿平行于金屬表面的任意夾角的X方向和Y方向 移動，直至滾壓完整個金屬表面。
7、 根據權利要求6所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述連續運動時，支架沿夾角為45 90。的X方向和Y方向同時運動。
8、 根據權利要求1所述的金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，其特征是， 所述滾輪滾壓面的線速度與支架移動的速度之間的速度差范圍為0.5 1.5V支。
全文摘要
一種金屬材料表面摩擦滾壓納米化方法，屬于金屬材料工程技術領域。本發明方法為采用支架和圓形的剛性滾輪對金屬材料表面施加一個壓應力，支架帶動滾輪在金屬表面上滾壓，滾輪的速度由支架控制，支架移動的速度與滾輪滾壓面的線速度不同，存在的速度差使得金屬表面不但受到壓應力還受到剪切應力的作用，使金屬材料表面產生劇烈塑性變形，導致晶粒細化，并最終實現金屬材料表面納米化。本發明工藝簡單，設備經濟，組織細化能力高，實用性強，易于工業化普及。可以用于純金屬、合金、金屬基復合材料等材料的表面納米化。
文檔編號C21D7/00GK101445862SQ20081020438
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月11日 優先權日2008年12月11日
發明者林金保, 王渠東 申請人:上海交通大學