CN104044018A - Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法，该方法在大气环境中对Q235碳素结构钢轴类工件进行表面纳米化处理，简单、便捷、高效，可控性好，无污染，洁净环保，所制备的表面纳米化轴类工件直径为10~60mm，最大长度为1000mm，工件强烈塑形变形层最大厚度为132μm，外表层平均晶粒尺寸为29~65nm。该方法可适用的材料种类比较多，除Q235碳素结构钢外，也适用合金结构钢、不锈钢等材料。

Description

Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法

技术领域

本发明涉及纳米晶表面层制备技术领域，尤其涉及一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法。

背景技术

表面纳米化，是纳米表面工程中一个重要的研究热点，其通过在材料表面形成纳米结构表层，利用纳米材料优异的功能特性显著改善材料的整体性能和特性，特点是可以采用许多现有的表面加工技术即可实现，受工件形状、尺寸的限制较小，生产率高。这为纳米技术与常规金属材料的结合提供了切实可行的途径。因此，在工业上有着巨大的开发应用潜力，也有利于开展对纳米材料一些其它性能的研究。纳米表面化被认为是最有可能在结构材料上获得突破的纳米技术之一。研究结果表明，表面纳米化有利于改善工程金属材料表面（和整体）的机械和化学性能。

在块状粗晶材料上获得纳米结构表层主要有三种基本方式：1）表面涂覆或沉积法；2）表面自生法；3）复合杂交法。第一种方式主要基于现有的常规涂覆或沉积技术，如PVD、CVD、溅射、电解沉积等；第二种方式通过非平衡处理（机械或热激活）使多晶材料表面层粗晶组织逐渐细化至纳米量级；第三种方式是将纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时或形成后，对材料进行化学处理，在材料表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物的纳米结构层。表面自生法所得纳米结构表层是一种梯度结构，与基体不存在界面，且与纳米化前相比，材料外形尺寸基本不变，有其独特的优点。机械和热激活表面纳米化，前者更具有开发应用价值。因此，目前表面纳米化研究多集中在机械激活表面自身纳米化。理论上讲，多数常规的机械表面处理技术，如喷丸、激光脉冲冲击处理以及机械研磨、抛光、表面滚压等，都潜在地可用于实现表面纳米化，其关键在于必须使材料表面层产生强烈的塑性变形，以满足纳米化要求。

国内外很多研究机构和高校都开展了金属材料表面纳米化的研究工作，如中科院金属所卢柯等利用喷丸、表面机械研磨方法在纯铁、低碳钢和不锈钢等材料表面获得了晶粒平均尺寸为10~20nm的纳米表面层，德国Altenberger等利用喷丸和强烈表面滚压（deep rolling）两种处理技术、加拿大Wang等利用喷丸-退火工艺在AISI304不锈钢材料表面制备了纳米复合表面层，中科院金属所熊天英等采用超音速微粒轰击方法在奥氏体不锈钢管上和40Cr钢上获得了晶粒平均尺寸为~14nm的纳米表面层。不同的表面纳米化方法各有其特点，所导致的纳米化微观机理存在差异；不同结构的材料，其纳米化行为也存在差异。近年来由于受到材料、物理及计算机模拟技术等方面新成果的支撑，有关金属材料表面纳米化的制备和性能研究有了长足进展，有关其纳米化机制、强化和韧化机理以及力学性能和腐蚀行为的理解也不断深入，国内外科学工作者正在不懈努力，致力于便捷可靠、高效的金属材料表面纳米化的制备和本征性能研究。

碳素结构钢广泛应用于电气、轻工、机械制造、供水、建筑、铁道、桥梁、国防等领域，主要用于制造承受静载荷的各种金属构件及不需要热处理的机械零件和一般焊接件，其中Q235是应用最广泛的一种碳素结构钢。金属材料的失效形式主要是腐蚀、磨损和断裂，而腐蚀、磨损和疲劳断裂均始自材料表面，所以材料表面的结构和性能直接影响工程金属材料的综合性能。利用纳米金属材料的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改良，在Q235传统碳素结构钢表面制备出一层具有纳米晶体结构的表面层，即表面纳米化，可显著提高其综合力学性能及环境服役行为，具有巨大的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法，包括以下步骤：

（1）将商用Q235圆钢车加工为圆轴状工件，表面粗糙度≤12.5μm；

（2）对步骤1加工后的圆轴状工件表面进行丙酮清理；

（3）将步骤2清理后的圆轴状工件的圆弧顶面与超声波圆盘状声极圆弧底面相接触；

（4）启动表面纳米化处理装置，在压强0.50~0.55MPa、超声波输出功率2800~3000W、频率20KHz、振幅35~40μm、工件旋转线速度5.0~5.7mm/s和直线行走速度3.1~21mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，即可得到表面纳米化的工件。

本发明与其他金属材料表面纳米化制备技术相比，主要具有以下4个特点：

1.对工件表面粗糙度要求不高；

2.在大气环境中对工件进行表面纳米化处理，简单、便捷、高效，可控性好；

3.无污染，洁净环保；

4.本发明适合的金属材料种类比较多，除Q235碳素结构钢外，也适合合金结构钢、不锈钢等材料。

附图说明

图1为本发明所述表面纳米化处理装置示意图；

图2为本发明所述的表面纳米化处理工件与声极位置与相对运动示意图；

图3为本发明所述的表面纳米化处理工件与声极位置与相对运动另一角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，表面纳米化处理装置包括工作基台、旋转行走机构、工件、声极、超声波发生器、控制***和加压***；所述旋转行走机构置于工作基台上，工件通过左、右旋转头固定在旋转行走机构上，声极圆弧底面与工件圆弧顶面相接触，超声波发生器和加压***均与声极相连，控制***对超声波发生器、加压***和旋转行走机构进行控制。

本发明一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法，包括以下步骤：

（1）取商用Q235圆钢车加工为圆轴状工件，表面粗糙度≤12.5μm；

（2）对步骤1加工后的圆轴状工件表面进行丙酮清理后，通过左、右旋转头将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

（3）超声波圆盘状声极固定不动，先调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置，将工件表面纳米化开始位置标志线调整到位，然后调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的高度位置，将工件圆弧顶面与声极圆弧底面相接触；

（4）启动表面纳米化处理装置，通过加压***对声极施加静压力，保证声极对工件施加的压强为0.50~0.55MPa，调节超声波发生器输出功率为2800~3000W、频率20KHz、振幅为35~40μm，调节工件旋转线速度为5.0~5.7mm/s、旋转行走机构直线行走速度为3.1~21mm/min，启动控制***，超声波发生器开始工作，工件自动以调节好的转速顺时针方向转动，同时旋转行走机构自动以调节好的直线行走速度向左或者右行走，开始对工件进行表面纳米化处理；

（5）旋转行走机构行走到工件表面纳米化结束位置，控制***自动关闭超声波发生器和旋转行走机构，工件停止转动和移动；

（6）去除加压***对声极施加的静压力，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构位置，将工件与声极脱离接触后从左、右旋转头中取出，即可得到表面纳米化的工件。

所获得的表面纳米化轴类工件直径为10~60mm，最大长度为1000mm，工件强烈塑形变形层最大厚度为132μm，外表层平均晶粒尺寸为29~65nm。

实施例1

1）取商用Q235B圆钢车加工为长度150 mm、Φ10 mm的圆轴状工件，表面粗糙度6.3μm；

2）对圆轴状工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在压强0.50MPa、超声波输出功率2800W、频率20KHz、振幅35μm、工件旋转线速度5.7mm/s和直线行走速度21mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为102μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为65nm。

实施例2

1）取商用Q235A圆钢车加工为长度200 mm、Φ20 mm的圆轴状工件，表面粗糙度12.5μm；

2）对圆轴工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在0.50MPa压强、超声波输出功率2800W、频率20KHz、振幅35μm、工件旋转线速度5.7mm/s和直线行走速度10mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为104μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为61nm。

实施例3

1）取商用Q235B圆钢车加工为长度400 mm、Φ30 mm的圆轴状工件，表面粗糙度6.3μm；

2）对圆轴工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在0.55MPa压强、超声波输出功率2800W、频率20KHz、振幅38μm、工件旋转线速度5.2mm/s和直线行走速度6.6mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为109μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为57nm。

实施例4

1）取商用Q235B圆钢车加工为长度600 mm、Φ40 mm的圆轴状工件，表面粗糙度6.3μm；

2）对圆轴工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在0.55MPa压强、超声波输出功率3000W、频率20KHz、振幅38μm、工件旋转线速度5.0mm/s和直线行走速度4.7mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为120μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为36nm。

实施例5

1）取商用Q235A圆钢车加工为长度800 mm、Φ50 mm的圆轴状工件，表面粗糙度12.5μm；

2）对圆轴工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在0.50MPa压强、超声波输出功率2800W、频率20KHz、振幅40μm、工件旋转线速度5.0mm/s和直线行走速度3.8mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为115μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为50nm。

实施例6

1）取商用Q235B圆钢车加工为长度1000 mm、Φ60 mm的圆轴状工件，表面粗糙度6.3μm；

2）对圆轴工件表面进行丙酮清理后，将其固定在表面纳米化处理装置的旋转行走机构上；

3）超声波圆盘状声极固定不动，将表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置调整到位；

4）启动表面纳米化处理装置，在0.55MPa压强、超声波输出功率3000W、频率20KHz、振幅40μm、工件旋转线速度5.0mm/s和直线行走速度3.1mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，处理结束后关闭表面纳米化处理装置，调整表面纳米化处理装置的旋转行走机构的水平位置和高度位置位置，将工件与声极脱离接触后取出工件，即可得到表面纳米化的工件。剖面金相观察，测定强烈塑形变形层最大厚度为132μm；XRD采用谢乐公式计算出工件外表层平均晶粒尺寸为29nm。

Claims (1)

1.一种Q235碳素结构钢轴类工件表面纳米层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将商用Q235圆钢车加工为圆轴状工件，表面粗糙度≤12.5μm；

（2）对步骤1加工后的圆轴状工件表面进行丙酮清理；

（3）将步骤2清理后的圆轴状工件的圆弧顶面与超声波圆盘状声极圆弧底面相接触；

（4）启动表面纳米化处理装置，在压强0.50~0.55MPa、超声波输出功率2800~3000W、频率20KHz、振幅35~40μm、工件旋转线速度5.0~5.7mm/s和直线行走速度3.1~21mm/min规范参数下对工件进行表面纳米化处理，即可得到表面纳米化的工件。