本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理方法，解决现存技术中存在的被处理材料表面粗糙度较大、表面光洁度不好、工件表面难以形成纳米晶体结构等问题。采用球形处理刀具在旋转的轴类金属材料表明上进行滚动，同时球形处理刀具沿工件轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。本发明加工方法通过改善材料表层的微观结构提高材料整体的力学性能，来提升材料的常规使用的寿命。本发明加工方法投资少、简单易操作方便。
化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，被处理工件材料表
特征在于，纳米层的厚度为5微米～30微米，亚微米层的厚度为50微米～100微
属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，
其特征在于，球形处理刀具由1-4个硬质合金球组成，球的直径从6毫米-20毫米。
其特征在于，球形处理刀具在车床刀具自动进给系统的刀架上做轴向单方向运动，
对被处理工件表面每次加工的压下量从10微米/次-40微米/次，加工次数从3次
蚀性和配合性，滚压是一种无切削的塑性加工方法。优点：工件表面粗糙度降低，
根据Hall-Petch关系，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大，所以滚压技术对
产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，来提升工件表面的强度和耐磨性。优点：
料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微
其中，纳米层的厚度为5微米～30微米，亚微米层的厚度为50微米～100微
米，晶粒变形层的厚度为50微米～200微米，初始晶粒组织的厚度取决于轴类金
之间的摩擦系数。本发明球形处理(加工)刀具可由1-4个硬质合金球组成，根
据被处理工件力学性能(如硬度)、形状、直径大小，选用相应的刀具大小及球的
直径，球的直径从6毫米-20毫米。被处理工件非常快速地旋转，根据其直径大小，被
处理工件的旋转速度在90毫米/秒-300毫米/秒之间。球形处理刀具在车床刀具
每次加工的压下量从10微米/次-40微米/次，球形处理刀具的轴向运动速度6毫
米/分钟-50毫米/分钟，加工次数从3次-20次。冷却介质和加工润滑剂均采用润
表层形成了纳米梯度组织，其变形层的深度可达到100-300微米，依次为纳米层
象。在抑制裂纹生长方面，细小晶粒优于粗大晶粒。反之，在裂纹扩展方面，
图3加工后316L不锈钢表层结构晶粒尺寸统计。(a)图为透射电镜明场像，
其中插图为表层晶粒尺寸的数目统计；(b)图为透射电镜暗场像，其中插图为表
图4加工后316L不锈钢亚微米层结构图。图4(a)和图4(b)均为距表面
图6本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜明
图7本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜暗
图8本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜衍
图10本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后截面的扫描电镜照片。
属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，
刀具之间的摩擦系数。球形处理(加工)刀具可由1-4个硬质合金球组成，根据
被处理工件力学性能(如硬度)、形状、直径大小，选用相应的刀具大小及球的直
径，球的直径从6毫米-20毫米。被处理工件非常快速地旋转，根据其直径大小，被处
加工的压下量(进刀量)从10微米/次-40微米/次，球形处理刀具的轴向运动速
度6毫米/分钟-50毫米/分钟，加工次数从3次-20次。冷却介质和加工润滑剂均
的变形层厚度约为200微米，变形层为纳米梯度组织，工件材料表层晶粒尺寸由
利用表面高速塑性变形的加工方法处理牌号Z5CND16-4(法国不锈耐热钢)
厚度为50微米。加工后牌号Z5CND16-4钢轴的表层结构见透射电镜照片图6、
图7、图8，从图6、图7中能够准确的看出表层晶粒尺寸大约为40纳米。从图8的衍
加工后的变形层厚度约为160微米，(见图10)，变形层为纳米梯度组织，工
属材料的硬度值提高15％-30％。本发明加工的轴类金属材料对滚压技术的优越性
在于：本发明加工的变形层深度在100微米-300微米，表面的晶粒尺寸在纳米量
级。以316L为例加工前后的硬度值提高了1倍多(加工前硬度值为2.0GPa，加工
表面晶粒尺寸相当，但是表面机械研磨(SMAT)技术的表面粗糙度很差，加工
后的表面还存在一定量的微裂纹，而微裂纹对疲劳性能和腐蚀和抗老化性能有较大的影响。
本发明加工的轴类金属材料对表面机械研磨(SMAT)处理方法的优越性在于：
加工表面粗糙度低，粗糙度基本能达到Ra≤0.08μm左右，表面没有微裂纹产生。
塑性加工方法，使得轴类金属材料表层的光洁度非常高。本发明具有“表面机械研
磨处理(SMAT)方法”和“滚压方法”共同的优点，又克服了二种方法共同的缺
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1、(10)申请公布号 CN 102643966 A(43)申请公布日 2012.08.22CN102643966A*CN102643966A*(21)申请号 2.5(22)申请日 2012.04.10C21D 7/04(2006.01)(71)申请人中国科学院金属研究所地址 110016 辽宁省沈阳市沈河区文化路72号(72)发明人斯晓 陶乃镕 卢柯(74)专利代理机构沈阳优普达知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 21234代理人张志伟(54) 发明名称一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法(57) 摘要本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理方法，解决。
2、现存技术中存在的被处理材料表面粗糙度较大、表面光洁度不好、工件表面难以形成纳米晶体结构等问题。采用球形处理刀具在旋转的轴类金属材料表明上进行滚动，同时球形处理刀具沿工件轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。本发明加工方法通过改善材料表层的微观结构提高材料整体的力学性能，来提升材料的常规使用的寿命。本发明加工方法投资少、简单易操作方便。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(。
3、12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页1/1页21.一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，采用球形处理刀具在旋转的轴类金属材料表明上进行滚动，同时球形处理刀具沿被处理工件轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使被处理工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，被处理工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。2.按照权利要求1所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，纳米层的厚度为5微米30微米，亚微米层的厚度为50微米100微米，变形晶粒层的厚。
4、度为50微米200微米。3.按照权利要求1所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，该处理方法是通过轴类金属材料转动系统、球形处理刀具、刀具自动进给系统和冷却润滑系统实现的，其中：轴类金属材料转动系统和刀具自动进给系统是由车床实现，被处理工件安装于轴类金属材料转动系统的输出端，轴类金属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，球形处理刀具与被处理工件的一侧相对，通过刀具自动进给系统控制球形处理刀具在被处理工件表面的进给量，被处理工件的另一侧设置冷却润滑系统，在工艺流程中冷却润滑系统用润滑油冷却被处理工件，同时降低被处理工件和球形处理刀具之间的摩擦系。
5、数。4.按照权利要求1或3所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，球形处理刀具由1-4个硬质合金球组成，球的直径从6毫米-20毫米。5.按照权利要求1或3所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，被处理工件非常快速地旋转，被处理工件旋转线所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，球形处理刀具在车床刀具自动进给系统的刀架上做轴向单方向运动，对被处理工件表面每次加工的压下量从10微米/次-40微米/次，加工次数从3次-20次。7.按照权利要求1或3所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方。
6、法，其特征是，球形处理刀具的轴向速度6毫米/分钟-50毫米/分钟。8.按照权利要求1或3所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，被处理工件加工处理的温度为室温至零下100。9.按照权利要求3所述的在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，其特征是，冷却介质和加工润滑剂均采用润滑油循环系统实现。权 利 要 求 书CN 102643966 A1/5页3一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法技术领域0001 本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理技术，特别提供了在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸。
7、晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。背景技术0002 目前，在轴类金属材料表明产生梯度结构的方法主要有：0003 表面机械研磨处理方法0004 表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形，引入大量的缺陷，如位错、孪晶、剪切带等，当位错密度足够大时发生位错湮灭、重组，形成纳米尺寸晶粒，晶粒尺寸沿厚度方向呈逐渐增大的梯度结构。优点：材料整体疲劳性能提高，纳米结构表层具有较高扩散能力，有利于低温渗氮等化学处理。缺点：被处理材料表面粗糙度较大。0005 滚压方法0006 滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚。
8、压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，滚压是一种无切削的塑性加工方法。优点：工件表面粗糙度降低，提高表面硬度，提高疲劳性能，减少磨损，延长常规使用的寿命。缺点：滚压技术的优点是使工件的表面光洁度提高，至于提高表面硬度及疲劳性能是有限度的，因为滚压技术是不可能使工件表明产生纳米晶体结构，甚至不能形成亚微米结构。根据Hall-Petch关系，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大。
9、，所以滚压技术对提高工件的表面硬度是有限的。0007 表面机械碾压方法0008 表面机械碾压方法是通过刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，来提升工件表面的强度和耐磨性。优点：可以使被加工工件的表明产生纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好。发明内容0009 本发明目的是提供一种利用硬质合金球在轴类金属材料表层通过塑性变形从而形成纳米梯度组织的表面处理方法，解决现存技术中存在的被处理材料表面粗糙度较大、表面光洁度不好、工件表面难以形成纳米晶体结构等问。
10、题。0010 本发明的技术方案是：0011 一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法，采用球形处理刀具在旋转的说 明 书CN 102643966 A2/5页4轴类金属材料表明上进行滚动，同时球形处理刀具沿被处理工件轴向运动，通过在材料表层产生塑性变形的处理方法，通过强烈的塑性变形，使被处理工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织，其变形层的深度达到100-300微米，被处理工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。0012 其中，纳米层的厚度为5微米30微米，亚微米层的厚度为50微米100微米，晶粒变形层的厚度为50微米200微米，初始。
11、晶粒组织的厚度取决于轴类金属材料的直径。0013 该处理方法是通过轴类金属材料转动系统、球形处理刀具、刀具自动进给系统和冷却润滑系统实现的，其中：轴类金属材料转动系统和刀具自动进给系统是由车床实现，被处理工件安装于轴类金属材料转动系统的输出端，轴类金属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，球形处理刀具与被处理工件的一侧相对，通过刀具自动进给系统控制球形处理刀具在被处理工件表面的进给量，被处理工件的另一侧设置冷却润滑系统，在工艺流程中冷却润滑系统用润滑油冷却被处理工件，同时降低被处理工件和球形处理刀具之间的摩擦系数。本发明球形处理(加工)刀具可由1-4个硬质合金球。
12、组成，根据被处理工件力学性能(如硬度)、形状、直径大小，选用相应的刀具大小及球的直径，球的直径从6毫米-20毫米。被处理工件非常快速地旋转，根据其直径大小，被处理工件的旋转速度在90毫米/秒-300毫米/秒之间。球形处理刀具在车床刀具自动进给系统的刀架上做轴向单方向运动，对被处理工件(轴类金属材料)表面每次加工的压下量从10微米/次-40微米/次，球形处理刀具的轴向运动速度6毫米/分钟-50毫米/分钟，加工次数从3次-20次。冷却介质和加工润滑剂均采用润滑油循环系统实现。0014 本发明中，被处理工件加工处理的温度为室温至零下100。0015 本发明具有如下优点：0016 1.加工方法简单。只需要设。
13、计适宜的处理刀具，在目前商用车床上就可以实现本发明。0017 2.通过选择正真适合的处理刀具，以及合理的每次压下深度及加工处理次数，控制被处理材料表层的变形组织厚度及晶粒尺寸。0018 3.表面粗糙度低。本发明的加工方法使处理工件受力均匀、连续，能做到无切削的塑性加工方式，其表面粗糙度低。0019 4.本发明是通过对轴类金属材料表明上进行塑性变形处理，使得轴类金属材料表层形成了纳米梯度组织，其变形层的深度可达到100-300微米，依次为纳米层和亚微米层、晶粒变形层、初始晶粒组织。微米层和基体结合紧密，没有剥层现象。在抑制裂纹生长方面，细小晶粒优于粗大晶粒。反之，在裂纹扩展方面，粗大晶粒优于细小晶。
14、粒。这样，细小晶粒表层与粗大晶粒基体的理想组合，对延长材料的常规使用的寿命更加有利。本发明将纳米材料的优异性能与工程金属材料相结合，给传统的金属材料赋予特殊性能。附图说明0020 图1右部分为本发明技术对316L不锈钢加工后的形貌。0021 图2加工后316L不锈钢表层结构透射电镜明场像。0022 图3加工后316L不锈钢表层结构晶粒尺寸统计。(a)图为透射电镜明场像，其中插图为表层晶粒尺寸的数目统计；(b)图为透射电镜暗场像，其中插图为表层晶粒尺寸的说 明 书CN 102643966 A3/5页5百分数统计。0023 图4加工后316L不锈钢亚微米层结构图。图4(a)和图4(b)均为距表面45微米。
15、处亚微米晶粒电镜照片。0024 图5左部分为本发明技术对牌号Z5CND16-4钢曲轴加工后的形貌。0025 图6本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜明场像。0026 图7本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜暗场像。0027 图8本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后轴向截面的透射电镜衍射照片。0028 图9本发明技术对金属镍加工后截面的扫描电镜照片。0029 图10本发明技术对牌号为Z5CND16-4钢曲轴加工后截面的扫描电镜照片。0030 图11采用本发明方法对轴类金属材料表层的加工装置的框图。具体实施方式0031 如图1。
16、1所示，采用本发明方法对轴类金属材料表层工艺流程如下：0032 该处理方法是通过轴类金属材料转动系统、球形处理刀具、刀具自动进给系统和冷却润滑系统实现的，其中：轴类金属材料转动系统和刀具自动进给系统是由商用车床实现的。被处理工件安装于轴类金属材料转动系统的输出端，轴类金属材料转动系统带动被处理工件旋转，球形处理刀具安装在刀具自动进给系统上，球形处理刀具与被处理工件的一侧相对，通过刀具自动进给系统控制球形处理刀具在被处理工件表面的进给量，被处理工件的另一侧设置冷却润滑系统，在工艺流程中冷却润滑系统用润滑油冷却被处理工件，同时降低被处理工件和球形处理刀具之间的摩擦系数。球形处理(加工)刀具可由1-。
17、4个硬质合金球组成，根据被处理工件力学性能(如硬度)、形状、直径大小，选用相应的刀具大小及球的直径，球的直径从6毫米-20毫米。被处理工件非常快速地旋转，根据其直径大小，被处理工件的旋转线毫米/秒。球形处理刀具在车床刀具自动进给系统的刀架上做轴向单方向运动，对被处理工件(轴类金属材料)表面每次加工的压下量(进刀量)从10微米/次-40微米/次，球形处理刀具的轴向运动速度6毫米/分钟-50毫米/分钟，加工次数从3次-20次。冷却介质和加工润滑剂均采用润滑油循环系统实现。下面通过实施例详述本发明。0033 实施例10034 利用本发明加工方法处理316L不锈钢：0035 设备：。
18、数控车床；0036 316L不锈钢直径：直径12mm；0037 主轴(被处理工件)转速：线 轴向进刀速度：20毫米/分钟；0040 球的直径：8毫米；0041 变形温度：室温；0042 加工次数：6次；0043 加工前316L不锈钢晶粒尺寸为2-3微米。说 明 书CN 102643966 A4/5页60044 处理后316L不锈钢如图1所示，表层微观结构如图2、图3、图4，加工后的变形层厚度约为200微米，变形层为纳米梯度组织，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。0045 其。
19、中，纳米层的厚度为30微米，亚微米层的厚度为100微米，变形晶粒层的厚度为50微米。0046 实施例20047 利用本发明加工方法处理金属镍：0048 设备：数控车床；0049 金属镍直径：直径6毫米；0050 主轴转速：线 轴向进刀速度：6毫米/分钟；0053 球的直径：8毫米；0054 变形温度：室温；0055 加工次数：15次；0056 加工前金属镍晶粒尺寸为20-40微米。0057 加工后的变形层厚度约为210微米(见图9)，变形层为纳米梯度组织，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒。
20、及初始晶粒组织。其中，纳米层的厚度大约为5微米，亚微米层的厚度大约为80微米，变形晶粒层的厚度为120微米。0058 实施例30059 利用表面高速塑性变形的加工方法处理牌号Z5CND16-4(法国不锈耐热钢)钢轴：0060 设备：数控车床；0061 钢轴直径：120毫米；0062 主轴转速：线 轴向进刀速度：16毫米/分钟；0065 球的直径：8毫米；0066 变形温度：室温；0067 加工次数：6次；0068 加工前Z5CND16-4钢轴晶粒尺寸为250纳米。0069 处理后表层结构细化(如图5)，加工后的变形层厚度约为160。
21、微米，变形层为纳米梯度组织，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。0070 其中，纳米层的厚度为7微米，亚微米层的厚度为100微米，晶粒变形层的厚度为50微米。加工后牌号Z5CND16-4钢轴的表层结构见透射电镜照片图6、图7、图8，从图6、图7中能够准确的看出表层晶粒尺寸大约为40纳米。从图8的衍射环能够准确的看出晶粒取向随机分布。0071 实施例4说 明 书CN 102643966 A5/5页70072 利用表面高速塑性变形的加工方法处理牌号Z5CND16-4钢轴：0073 设备：数控车床；0074 钢轴直径：6毫米；0075 主轴转速：线 轴向进刀速度：20毫米/分钟；0078 球的直径：8毫米；0079 变形温度：室温；0080 加工次数：6次；0081 加工前Z5CND16-4钢轴晶粒尺寸为250纳米。0082 加工后的变形层厚度约为160微米，(见图10)，变形层为纳米梯度组织，工件材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。其中，纳米层的厚度大约为8微米，亚微米层的厚度大约为100微米，晶粒变形层的厚度大约为50微米。0083 比较例10084 滚压技术和本发明在加工轴类金属材料的表面光洁度相当，但是滚压技术的变形层深度。
23、较浅，其加工轴类金属材料的表面晶粒尺寸在亚微米量级，其轴类金属材料的硬度值提高15-30。本发明加工的轴类金属材料对滚压技术的优越性在于：本发明加工的变形层深度在100微米-300微米，表面的晶粒尺寸在纳米量级。以316L为例加工前后的硬度值提高了1倍多(加工前硬度值为2.0GPa，加工后硬度值为5.4GPa)。0085 比较例20086 表面机械研磨(SMAT)技术和本发明在加工轴类金属材料的变形层深度及表面晶粒尺寸相当，但是表面机械研磨(SMAT)技术的表面粗糙度很差，加工后的表面还存在一定量的微裂纹，而微裂纹对疲劳性能和腐蚀和抗老化性能有较大的影响。本发明加工的轴类金属材料对表面机械研磨(SMA。
24、T)处理方法的优越性在于：加工表面粗糙度低，粗糙度基本能达到Ra0.08m左右，表面没有微裂纹产生。0087 实施例和比较例根据结果得出，本发明是通过硬质合金球在轴类金属材料表面高速塑性形变的加工方法，使得轴类金属材料的表明产生纳米梯度结构。由于本发明通过强烈的塑性变形在轴类金属材料表明产生了纳米梯度组织，又是无切削的塑性加工方法，使得轴类金属材料表层的光洁度非常高。本发明具有“表面机械研磨处理(SMAT)方法”和“滚压方法”共同的优点，又克服了二种方法共同的缺点，使得本发明较为完美。本发明技术具有简单易操作、方便，投资少等优点。说 明 书CN 102643966 A1/6页8图1图2说 明 书 附 图CN 102643966 A2/6页9图3说 明 书 附 图CN 102643966 A3/6页10图5图6说 明 书 附 图CN 102643966 A10。
