專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輥類(lèi)工件的表面納米強(qiáng)化技術(shù)，尤其涉及一種金屬輥 件表面組織納米重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
各種輥類(lèi)工件是鋼鐵冶金工具和裝備的關(guān)鍵部件，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定和鋼材 質(zhì)量有著的決定性的作用，但是輥類(lèi)工具的磨損非常嚴(yán)重，部分輥件的更 換周期非常短，影響機(jī)組的有效工作時(shí)間，增加了生產(chǎn)的成本?；谳伡?工具工作的特點(diǎn)，材料的失效大多發(fā)生在表面，如材料的疲勞、腐蝕和磨 損對(duì)表面結(jié)構(gòu)和性能非常敏感，因此，提高輥件材料表面強(qiáng)度、硬度和耐 磨性是延長(zhǎng)輥件壽命的有效方法。
材料的失效大多發(fā)生在材料表面，因此改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)提高 材料表面的綜合性能指標(biāo)， 一直是世界各國(guó)材料工程技術(shù)人員潛心研究的 重要課題之一。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，包括表面淬火、表面(火焰加熱及 感應(yīng)加熱的表面淬火)、化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲鋁、滲 鉻以及離子束表面改性等)、電子束表面改性(電子束表面淬火、表面晶 粒細(xì)化、表面合金化、表面涂覆和非晶化等)。這些方法在工藝上存在一 些眾所周知的缺點(diǎn)和使用上局限性，并且都只能通過(guò)改變表面層的成分、 組織、形態(tài)和非晶化的方法提高工件的表面的耐磨損性硬度等綜合性能， 而不能通過(guò)在工件表面層獲得復(fù)合納米晶粒來(lái)提高工件表面的綜合性能。
納米晶體材料是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展起來(lái)的新型材料。所謂納米晶體是由至
少在一維方向上小于100nm的超細(xì)晶晶粒組成的單相或多相晶體材料。fi 前，試圖將金屬材料表面層晶粒細(xì)化至納米晶粒尺寸的方法有以下幾種
(1)表面涂層或沉積技術(shù)，如PVP、 CVD濺射鍍膜，電鍍等方法在 基體材料表面生成一層納米層，該方法涂層與基體，涂層粒子之間的結(jié)合 力薄弱，容易引起表面層剝離或脫落，同時(shí)因表面層與基體化學(xué)組成不同， 會(huì)造成表面層與基體之間的成分和性能的突變。另外設(shè)備投資較大，工藝控制難度大，生產(chǎn)成本較高。
(2) 表面強(qiáng)烈塑性變形技術(shù)，包括錘擊、表面軋制、機(jī)械研磨等， 其目的為實(shí)現(xiàn)材料表面晶粒超細(xì)化到納米級(jí)水平。其中"落錘法沖擊載荷 應(yīng)變誘導(dǎo)在高錳鋼表面層獲得一層納米晶表面層"(《金屬學(xué)報(bào)》2001，
37 (2) : 165-170)。"表面軋制可實(shí)現(xiàn)表面晶粒細(xì)化到納米尺度"(《J Physics》，IV,1993,3:1817)。"機(jī)械球磨應(yīng)用于低碳鋼顆粒表面實(shí)現(xiàn)納 米化"(《金屬學(xué)報(bào)》，2002， 38 (2) : 157-160， J.Mater.Res.1996，11:2677)。
(3) 表面噴丸技術(shù)，包括如下幾種具有代表性工藝技術(shù)方法
(a) 中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)CN2400456和CN1301873,采用工件定位機(jī)構(gòu) 和一個(gè)具有偏心輪的丸粒發(fā)射機(jī)構(gòu)，通過(guò)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)發(fā)射剛性 丸粒(直徑0.1 12mm的鋼球)，對(duì)材料表面進(jìn)行多個(gè)方向的撞擊(丸粒 撞擊材料表面的頻率為10HZ-50KHZ,處理時(shí)間l秒 20小時(shí))，使金屬 材料的表面產(chǎn)生快速?gòu)?qiáng)烈塑性變性而形成一定厚度的納米組織結(jié)構(gòu)。
(b) 中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)CN1336321(FR2812284 、 WO0210463 、 AU8408701)提供一種在密閉空間里，放置大量的球狀彈丸(如鋼球)，通 過(guò)超聲波發(fā)生器使彈丸產(chǎn)生3 100m/s的速度，以可變的入射角進(jìn)行振動(dòng) 運(yùn)動(dòng)，在金屬零件上形成納米結(jié)構(gòu)表層。
(c) 中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)CN1336444(FR2812286 、 WO0210461 、 AU8224001)和中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)CN1336445(FR2812285 、 WO0210462、 AU8224101)改進(jìn)了以上專(zhuān)利的方法(CN2400456 、 CN1301873 、 CN1336321)，以壓縮空氣為動(dòng)力，在同一撞擊點(diǎn)不同的入射角循環(huán)噴射完 全球狀彈丸方法，使材料表面產(chǎn)生隨機(jī)的強(qiáng)烈塑性變形，并通過(guò)噴口的移 動(dòng)，造成材料整體表面層的晶粒細(xì)化，同時(shí)在表面噴射處理中，對(duì)金屬零 件進(jìn)行加熱處理，加熱溫度控制在使金屬晶粒長(zhǎng)大的溫度以下。以上專(zhuān)利 所提供的這些方法，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了銅、純鐵、低碳鋼和奧氏體不銹鋼的表面 納米化。
(d) 中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)CN.1410560提供了一種超聲速硬質(zhì)微粒轟擊金 屬材料使表面納米化的方法，該方法特征在于采用壓縮空氣攜帶硬質(zhì)微 粒，在室溫下通過(guò)超聲速?lài)娮靽娚溆诮饘俨牧媳砻?，在金屬材料的表面?成納米晶表面層。但由于轟擊在室溫下進(jìn)行，未涉及被處理金屬材料的成
5分及預(yù)處理微觀組織狀態(tài)對(duì)轟擊條件的要求，因而在處理中、高碳鋼或低、 中合金鋼材料的旋轉(zhuǎn)件時(shí)，表面容易產(chǎn)生損傷，并在表面層以下產(chǎn)生較大 的殘余應(yīng)力，影響其使用性能。
綜上所述，現(xiàn)有的表面涂層或沉積、表面強(qiáng)烈塑性變形技術(shù)(錘擊、 表面軋制、機(jī)械研磨)、各種表面噴丸技術(shù)等實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的 方法除了各自存在的缺點(diǎn)及不足之處外，所述的這些方法僅適用于硬度較 低的輥件，而對(duì)于高硬度輥件由于其變形困難往往得不到理想的納米晶 層，容易造成表面損傷、表面層剝落等，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)高 硬度輥類(lèi)工件的表面納米強(qiáng)化，獲得理想的表面納米晶層和超細(xì)晶層，并 且可以對(duì)所處理輥類(lèi)工件的組織進(jìn)行在線調(diào)整，保證組織穩(wěn)定性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
采用高頻或超高頻感應(yīng)線圈加熱高硬度輥件基體表面，降低其表面層 材料的變形抗力，同時(shí)不影響深層材料的組織和性能；利用高壓壓縮氣體 攜帶硬質(zhì)金屬微粒經(jīng)噴嘴形成超音速氣固雙相流轟擊輥件表面，對(duì)輥件表 面層材料進(jìn)行微鍛處理，使其表層發(fā)生強(qiáng)烈局部塑性變形，從而晶粒細(xì)化 至納米量級(jí)；采用高壓氣體對(duì)己處理輥表面進(jìn)行快速冷卻，避免表面層材 料的組織變化和晶粒長(zhǎng)大。
本發(fā)明將輥件基體調(diào)整在合適的狀態(tài)進(jìn)行表面納米強(qiáng)化處理，降低輥 件表面材料的變形抗力，提高表面納米晶層和超細(xì)晶層的厚度，優(yōu)化表面 納米化效果。
具體地，本發(fā)明金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其包括如下步驟
1) 采用感應(yīng)線圈加熱高硬度金屬輥件基體表面，輥件溫度控制在0.2-
0.5Tm"C之間，Tm為輥材料熔點(diǎn)；
2) 使用氣體壓力0.5-4.5Mpa的高壓氣體，經(jīng)過(guò)噴嘴將平均粒徑40-500 微米之間的硬質(zhì)金屬微粒加速至超音速，形成超音速氣固雙相流， 對(duì)輥件表面進(jìn)行轟擊，對(duì)其表層材料進(jìn)行微鍛變形，進(jìn)行一道次轟 擊或多道次轟擊，使其表層發(fā)生強(qiáng)烈局部塑性變形，從而晶粒細(xì)化至納米量級(jí)；
3)采用高速氣流對(duì)輥件表面進(jìn)行快速冷卻，冷卻速度為50-200°C/s， 冷卻氣體選用惰性或還原性氣體，以防止氧化，轟擊與冷卻的時(shí)間 間隔為l-20s。
其中，所述的噴嘴采用拉瓦爾噴嘴。
又，感應(yīng)加熱頻率為200千赫-270兆赫。
輥件表面加熱層厚度為0.15mm-2mm。
感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度范圍為0.1-50mm/s，優(yōu)選為0.5-10mm/s。
高壓氣體為壓縮空氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣、氫氣或其混合氣體。
另外，本發(fā)明所處理的輥件基體表面硬度范圍為HV450-HV750，表 面平均粗糙度范圍為Ra0.1-Ra0.8。
轟擊所使用顆粒材料硬度為基體材料的l-5倍，顆粒為球形，粒徑范 圍為40-500微米，優(yōu)選粒徑范圍為40-100微米。
輥件表面顆粒轟擊密度范圍為100-50000個(gè)/mm2，優(yōu)選為2000-6000 個(gè)/mm20
再有，本發(fā)明在轟擊過(guò)程中需對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為0.25-0.5 Tm，可以保證處理過(guò)程中輥件溫度的均勻性。 本發(fā)明的有益效果'
1、 利用200千赫-270兆赫高頻或超高頻感應(yīng)加熱待處理金屬輥件表 面，可以在不影響其內(nèi)部組織和性能的情況下，消除或減小材料表面 0.15-2mm范圍內(nèi)的表面變形抗力；
2、 利用一定預(yù)熱溫度的高壓氣體攜帶硬質(zhì)微粒經(jīng)特殊拉瓦爾噴嘴加 至超音速后轟擊輥件表面，其表面材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形從而使得距表面 0-200微米深度范圍內(nèi)晶粒細(xì)化至納米和亞微米量級(jí)；
3、 利用高速氣流冷卻其表面，可以使表面已形成的納米晶粒更加穩(wěn) 定，同時(shí)起到表面淬火作用。
經(jīng)上述方法制備的輥件可在距表面0-200微米范圍內(nèi)形成納米晶和超 細(xì)晶層，從表到里為超細(xì)晶粒連續(xù)梯度組織，晶粒尺寸從納米級(jí)連續(xù)過(guò)渡 到微米級(jí)，輥件表面綜合硬度及耐磨性大幅提高。


圖1為本發(fā)明高硬度輥件表面納米化處理的示意圖。
圖2為本發(fā)明酸洗拉矯輥表面納米強(qiáng)化后表面形貌的SEM照片。 圖3為本發(fā)明酸洗拉矯輥表面納米強(qiáng)化后截面過(guò)渡區(qū)組織SEM照片。 圖4為本發(fā)明表面納米強(qiáng)化拉矯輥從表到里硬度變化規(guī)律示意圖。 圖5為本發(fā)明表面納米強(qiáng)化后冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)軋輥表面層TEM組織及衍 射環(huán)照片。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，其所示為本發(fā)明高硬度輥件表面納米化處理的示意圖。輥 件3裝卡在旋轉(zhuǎn)裝置上以lrpm-450rpm的速度旋轉(zhuǎn)；在對(duì)輥件進(jìn)行超音速 微粒轟擊表面納米化之前由加熱線圈1首先將輥件基體加熱到一定溫度， 然后噴嘴4噴出的超音速微粒5對(duì)輥件表面進(jìn)行轟擊處理，可以一道次處 理，也可以重復(fù)處理，直至獲得理想的表面納米晶層和超細(xì)晶層。輔助加 熱線圈2起到穩(wěn)定輥件溫度的作用，也可以在避免納米晶長(zhǎng)大的溫度范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)輥件的溫度，然后使用噴槍6采用高速氣流對(duì)輥件表面進(jìn)行快速冷 卻處理，起到穩(wěn)定細(xì)晶組織和對(duì)輥件表面材料淬火的作用。
本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)加熱線圈1與輔助加熱線圈2和冷卻噴槍6的位置， 對(duì)輥件進(jìn)行往返重復(fù)處理。
實(shí)施例1
酸洗拉矯輥表面納米強(qiáng)化處理，原始輥材料為100Cr6鋼，表面淬火 處理，淬硬層維氏硬度值為480HV，表面磨光，粗糙度為Ra0.45。處理工 藝感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度2mm/s，感應(yīng)線圈加熱頻率為的300kHZ， 加熱后輥件表面溫度558°C，轟擊使用平均粒徑為40!Lim的(^-八1203微粒， 工作氣體預(yù)熱溫度為350°C，工作氣體壓力為2MPa，噴射距離30mm，顆 粒轟擊密度2000-2600個(gè)/mm2。表面納米化處理后輥件表面形貌如圖2所 示，根據(jù)圖2可知其表面為亞光的粗糙面，表面粗糙度為Ra0.8;表層由 外到內(nèi)為梯度過(guò)渡組織，如圖3所示；距離表面lOiim的深度范圍內(nèi)硬度 的變化規(guī)律如圖4所示，可以看出材料性能由表到里呈梯度變化趨勢(shì)。
8實(shí)施例2
酸洗拉矯輥表面納米強(qiáng)化處理，原始輥材料為100Cr6鋼，表面淬火 處理，淬硬層維氏硬度值為550HV，表面磨光，粗糙度為Ra0.3。處理工 藝感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度1.5mm/s，感應(yīng)線圈加熱頻率為300kHZ， 加熱后輥件表面溫度688°C，轟擊使用平均粒徑為30)iun的01-八1203微粒， 工作氣體預(yù)熱溫度為100°C，工作氣體壓力為1.5MPa，噴射距離35mm， 顆粒轟擊密度1300-1500個(gè)/mm2。處理后拉矯輥表面粗糙度為Ra0.7，表 面層硬度較基體提高40%以上。
實(shí)施例3
酸洗拉矯機(jī)支承輥表面納米強(qiáng)化處理，原始輥材料為50CrMo4V鋼， 淬硬層維氏硬度值為500HV，表面粗糙度Ra0.35。處理工藝感應(yīng)線圈與 輥件相對(duì)移動(dòng)速度1.8mm/s，感應(yīng)線圈加熱頻率為300kHZ，加熱后輥件表 面溫度620。C，轟擊使用平均粒徑為35^im的ct-Al203微粒，工作氣體預(yù)熱 溫度為200°C，工作氣體壓力為2MPa，噴射距離40mm，顆粒轟擊密度 1300-1500個(gè)/mm2。處理后拉矯輥表面粗糙度為Ra0.7，表面層硬度較基體 提高50%以上。
實(shí)施例4
冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)軋輥表面納米強(qiáng)化處理，原始輥材料為40Cr鋼，表面淬 硬層維氏硬度值為490HV。處理工藝感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度 2mm/s，感應(yīng)線圈加熱頻率為300kHZ，加熱后輥件表面溫度490°C ，轟擊 使用平均粒徑為30^im的a-Al2O3微粒，工作氣體預(yù)熱溫度為400°C ，工作 氣體壓力為3MPa，噴射距離35mm，顆粒轟擊密度2600-2800個(gè)/mm2，處 理后輥表面粗糙度為Ral.2，表面層硬度較基體提高60%以上；其表面納 米晶層TEM暗場(chǎng)像組織及衍射環(huán)如圖5所示，由此可見(jiàn)軋輥表面晶粒已 細(xì)化至100nm以下。值為490HV。處理工藝感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度2.5mm/s，感應(yīng)線 圈加熱頻率為300kHZ，加熱后輥件表面溫度49(TC，轟擊使用平均粒徑為 35pm的01-八1203微粒，工作氣體預(yù)熱溫度為400°C，工作氣體壓力為 2.5MPa，噴射距離35mm，顆粒轟擊密度2000-2200個(gè)/mm2。處理后拉矯 輥表面粗糙度為Ral.2，表面層硬度較基體提高30%以上。
權(quán)利要求
1.金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其包括如下步驟1)采用感應(yīng)線圈加熱高硬度金屬輥件基體表面，輥件溫度控制在0.2-0.5Tm℃之間，Tm為輥材料熔點(diǎn)；2)使用氣體壓力0.5-4.5Mpa的高壓氣體，經(jīng)過(guò)噴嘴將粒徑40-500微米之間的硬質(zhì)金屬微粒加速至超音速，形成超音速氣固雙相流，對(duì)輥件表面進(jìn)行轟擊，對(duì)其表層材料進(jìn)行微鍛變形，進(jìn)行一道次轟擊或多道次轟擊，使其表層發(fā)生強(qiáng)烈局部塑性變形，從而晶粒細(xì)化至納米量級(jí)；3)采用高速氣流對(duì)輥件表面進(jìn)行快速冷卻，冷卻速度為50-200℃/s，冷卻氣體選用惰性或還原性氣體。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，所述的噴嘴采用拉瓦爾噴嘴。
3. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，感應(yīng)加熱頻率為200千赫-270兆赫。
4. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，輥件表面加熱層厚度為0.15mm-2mm。
5. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，感應(yīng)線圈與輥件相對(duì)移動(dòng)速度范圍為0.1-50mm/s，優(yōu)選為0.5-10mm/s。
6. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，高壓氣體為壓縮空氣、氮?dú)狻⒑?、氬氣、氫氣或其混合氣體。
7. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，所處理的輥件基體表面硬度范圍為HV450-HV750，表面平均粗糙度范圍為Ra 0.1-Ra 0.8。
8. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，轟擊所使用顆粒材料硬度為基體材料的1-5倍，顆粒為球形，粒徑范圍為40-500微米，優(yōu)選粒徑范圍為40-100微米。
9. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，輥件表面顆粒轟擊密度范圍為100-50000個(gè)/mm2，優(yōu)選為2000-6000個(gè)/mm c
10. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，轟擊過(guò)程中對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為0.25-0.5 Tm。
11. 如權(quán)利要求1所述的金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其特征是，轟擊與冷卻的時(shí)間間隔范圍為l-20s。
全文摘要
金屬輥件表面組織納米重構(gòu)方法，其包括如下步驟1)采用感應(yīng)線圈加熱高硬度金屬輥件基體表面，輥件溫度0.2-0.5T_m℃之間，T_m為輥材料熔點(diǎn)；2)使用高壓氣體，經(jīng)過(guò)噴嘴將粒徑40-500微米之間的硬質(zhì)金屬微粒加速至超音速，形成超音速氣固雙相流，對(duì)輥件表面進(jìn)行轟擊，對(duì)其表層材料進(jìn)行微鍛變形，進(jìn)行轟擊，使其表層發(fā)生強(qiáng)烈局部塑性變形，從而晶粒細(xì)化至納米量級(jí)；3)采用高速氣流對(duì)輥件表面進(jìn)行快速冷卻，冷卻速度為50-200℃/s，冷卻氣體選用惰性或還原性氣體。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高硬度輥類(lèi)工件的表面納米強(qiáng)化，獲得理想的表面納米晶層和超細(xì)晶層，并且可以對(duì)所處理輥類(lèi)工件的組織進(jìn)行在線調(diào)整，保證組織穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C21D7/06GK101660033SQ20081004212
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者宋洪偉, 張俊寶, 張宇軍, 梁永立 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司