[发明专利]一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化装置及工艺

说明书

一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置及工艺，本发明涉及金属表面晶粒细化技术；其特征是：该装置采用五轴联动，使钢丝刷实现五自由度移动(3移动、2旋转)，可以到达金属工件的任何部位，采用该工艺对金属工件表面进行形变处理；该装置处理精度在微米级，可实现对金属工件表面的自动化处理，工艺技术简单，无需任何弹丸或微粒作为中间能量载体就可对金属材料表面实现表面形变强化，实现表面晶粒细化；该装置处理后的金属工件表层晶粒细化层深度厚，细化效果更为明显；该装置可以处理大尺寸、形状复杂、精度要求高的金属工件，并且具有良好的工业化的可能。

本研究得到山东省重点研发计划项目(2017GGX30129)和中央高校基本科研业务费专项资金(18CX02090A)资助。

技术领域

本发明涉及一种金属表面晶粒细化的技术，具体为一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置及工艺，该装置通过高速旋转的钢丝刷对金属材料表面进行形变处理，使金属表面形成晶粒细化层以及改善表面压应力层。

背景技术

从金属材料失效的方式来看，许多破坏都是从金属表面开始的，金属表面最常见的失效与破坏形式主要有疲劳、磨损、腐蚀，金属材料的表面性能直接决定了其综合性能的好坏以及使用寿命的长短。大量的研究显示，表面晶粒细化可以改善金属材料的强度和塑性等性能，因此对金属材料表面进行形变处理诱导表层晶粒细化，可以提高金属材料的抗疲劳性、耐磨性、耐腐蚀性，改善金属材料的表面结构性能，从而提高金属材料的综合性能以及使用寿命。

金属材料实现表面晶粒细化有多种途径，其中一种是表面机械加工处理法，对需要晶粒细化的金属材料表面施加较大的重复载荷，使其发生剧烈变形，表面的晶粒组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米级。通过局部强烈塑性变形使金属表面组织的内部缺陷大量增殖，形成亚结构或再结晶，从而实现晶粒细化。

常见的金属材料表面晶粒细化的机械方法有高能喷丸、机械滚压、机械研磨等技术，通过上述机械方法获得的金属材料表面晶粒细化层沿厚度方向呈梯度变化，与基体组织间不存在明显界限，不会发生脱落和分离，从而大幅提高金属材料的使用性能，表面晶粒细化既适用于材料的整体，又使用于材料局部表面改性。但是上述方法也存在一定的局限性，比如工艺复杂、生产效率低、成本高、对工件的大小形状有一定限制等。

高能喷丸技术是通过喷丸机喷射高速弹丸到材料表面，使材料表面产生强烈塑性变形，形成具有纳米晶体结构的表面层。《1Cr18Ni9Ti不锈钢的喷丸表面纳米化及其对耐蚀性的影响》一文中对试样经喷丸处理后并进行XRD、TEM分析后发现，试样表面晶粒细化，实现了表面纳米化，并且诱发了马氏体相变，但是随着喷丸表面深度增大超过临界值时，尺寸晶粒逐渐增大，马氏体的体积分数逐渐减小。经耐蚀性研究表明，处理后的试样在NaCl溶液中更容易形成稳定的腐蚀钝化膜，其抗氯离子腐蚀性能明显增高。《高能喷丸表面纳米化技术提高接头疲劳强度的可行性研究》和《SS400钢焊接接头表层组织纳米均一化及硬度均一化处理》中对焊缝进行表面进行高能喷丸处理，并进行了XRD、TEM、SEM分析和疲劳试验，结果表明，试样经高能喷丸处理后形成了尺寸均匀且去向随机分布的纳米晶粒，并且焊缝表层硬度一致，且远高于处理前的硬度，并且提高了疲劳强度。这种技术的优点在于适用范围广泛，可对复杂形状工件进行强化；缺点是一般只能实现局部强化。

机械滚压技术是通过驱动特制的滚压工具(通常为淬火钢、硬质合金以及红宝石等高硬度材料制成的滚珠、滚珠或滚轮等形状的工具)在零件表面往复滚压，从而使金属表面晶粒细化。通过对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“摩擦滚压制备金属表面纳米层的方法”，公开号：101445862，公开日2009年6月3日，该专利涉及了一种通过机械滚压细化金属表面晶粒的技术，经处理后的工件获得了晶粒尺寸小于100nm的晶粒细化层。该工艺可以显著的降低金属工件表面的粗糙度，适合用于处理轴类、套筒类工件的内外表面，缺点是无法处理复杂形状的金属工件。