CN111137849B - 一种渐进式金属表面微纳改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渐进式金属表面微纳改性方法，属于表面工程领域，能够解决当前表面工程技术中的结合力差，难以对复杂外形的材料进行涂覆，工作环境差，效率低等问题，本发明的方法可对具有复杂外形的工件灵活、可设计地进行表面改性，而且具有高结合力、无污染、低成本的优点。本发明采用一种具有可设计末端的改性工具接触基体材料的表面，在局部区域旋转改性工具并压缩材料表面，通过三维建模软件预设定工艺参数，当刀具加工过整个表面后，它将向下移动到先前压缩过后的凹陷表面，这一过程一直持续到表面材料被压缩到预先定义的厚度，由此达到晶粒细化与提升表面性能的目的。

Description

一种渐进式金属表面微纳改性方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，尤其涉及一种渐进式金属表面微纳改性方法。
背景技术
表面工程技术对改性产品、提升性能(如耐磨、抗蚀、耐温等)具有重要的意义，被誉为21世纪关键制造技术之一。基于微纳米材料尺寸效应所展示出的优异特性，将微纳米技术与表面工程相结合，发展起来的表面微纳改性技术为当前表面工程的研究热点。然而目前的改性技术广泛存在结合力差，难以对复杂外形的材料进行涂覆，以及产量低，效率低，对环境有污染等问题，因此难以满足产品性能需求与经济、环保、可持续的要求。
发明内容
本发明提供了一种渐进式金属表面微纳改性方法，所述方法可对具有复杂外形的工件灵活、可设计地进行表面改性，而且具有高结合力、无污染、低成本的优点。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种渐进式金属表面微纳改性方法，包括以下步骤：
(1)采用改性工具末端接触基体材料表面，通过三维建模软件预设定所述改性工具运动参数；
(2)在基体材料表面局部区域旋转所述改性工具并按照步骤(1)中预设定的运动参数进行运动压缩基体材料表面；
(3)当所述改性工具加工过整个基体材料表面后，所述改性工具向下移动到先前压缩过后的凹陷表面；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到基体材料被压缩到预定的厚度。
以上所述步骤中，所述改性工具末端为球头、平头或针头；步骤(1)中所述的运动参数为：运动轨迹、刀具转速、进给速度、单层下压量、加工道次与二次进给重叠率，所述运动轨迹为如单向型、往复型、网格型或螺旋型，所述刀具转速为1000rpm～30000rpm，所述进给速度为1000mm/min～6000mm/min，所述单层下压量为0.01mm～0.1mm、所述加工道次为10次～30次，所述二次进给重叠率为2％～10％；步骤(3)中所述向下移动的距离根据预设定的单层下压量控制；以上所述整个加工过程中所述改性工具辅以超声振动装置，所述超声振动装置的超声振动的静压力为150N～350N、振幅为2μm～7μm；整个加工过程中可以根据不同的基体材料与预期目标提供需要的加工氛围与润滑条件。
有益效果：本发明提供了一种渐进式金属表面微纳改性方法，将机械、数控与微纳制造和表面工程技术相结合，将旋转摩擦、超声振动、数控技术、表面冶金集成一体化引入金属表面工程领域；由于引入了数控，故可充分利用计算机辅助技术，高效实现各类复杂型面三维金属结构表面微纳米制造，提升改性效率与准确度；而且采用机械作用的方式，即通过MIMST工艺诱导，引入超声激励辅助直接作用于材料表面，实现表面微纳结构自生长，由于微纳米晶层的存在，表层材料的机械与物化性能可以得到显著改善；极大提升材料的进一步化学处理能力(如渗碳、氮及金属粒子等)；机械处理方式伴随表面活性能的增加，为进一步开发新型功能复合表面提供了极大可能与方便；本发明方法的处理效率相对较高，基体与纳米晶层无明显分离界面，具有高结合力、无污染、低成本的优点可实现表面工程的绿色生产。
附图说明
图1为带有球头末端的改性工具示意图；
图2为本发明方法改性层全厚度微观结构及应力/应变示意图；
图3为采用本发明方法改性后材料表面纹理结构示意图；
图4为本发明方法改性技术原理图，其中ΔZ为单层下压量、ωt为工具转速、Vt为工具进给线速度、Rt为工具半径、Δd为二次进给重叠率、Δt为总下压量、NP为加工道次；
图5为本发明实施例1改性材料的摩擦系数曲线与表面织构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
如图4所示，一种渐进式金属表面微纳改性方法，包括以下步骤：
采用如图1所示的8mm球头改性工具末端接触7075-T6铝合金基体材料，在油润滑条件下，通过三维建模软件预设定所述改性工具运动参数：18000rpm工具转速、6000mm/min工具进给线速度、0.03mm单层下压量、2％二次进给重叠率，在局部区域旋转改性工具并按照预设定的轨迹进行运动压缩材料表面，当加工过整个表面后，它将向下移动到先前压缩过后的凹陷表面，移动的距离根据预设定的单层下压量控制，这一过程一直持续到表面材料被压缩到预先定义的厚度。
改性后的材料显微硬度相比于7075-T6铝合金基体材料从79.4HV上升到了125.1HV，增长了57.6％，如图5所示，在0°，45°与90°方向上的平均摩擦系数相比于7075-T6铝合金基体材料从0.395分别下降到了0.126，0.105与0.107。
实施例2
如图4所示，一种渐进式金属表面微纳改性方法，包括以下步骤：
采用如图1所示的8mm球头改性工具末端接触7075-T6铝合金基体材料，在油润滑条件下，通过三维建模软件预设定所述改性工具运动参数：6000rpm工具转速、4000mm/min工具进给线速度、0.02mm单层下压量、2％二次进给重叠率，在局部区域旋转改性工具并按照预设定的轨迹进行运动压缩材料表面，当加工过整个表面后，它将向下移动到先前压缩过后的凹陷表面，移动的距离根据预设定的单层下压量控制，这一过程一直持续到表面材料被压缩到预先定义的厚度。
改性后材料显微硬度相比于7075-T6铝合金基体材料从79.4HV上升到了118.6HV，增长了49.4％，平均摩擦系数相比于7075-T6铝合金基体材料从0.395下降到了0.126。
实施例3
如图4所示，一种渐进式金属表面微纳改性方法，包括以下步骤：
采用如图1所示的8mm球头改性工具末端接触7075-T6铝合金基体材料，在油润滑条件下，通过三维建模软件预设定所述改性工具运动参数：12000rpm工具转速、4000mm/min工具进给线速度、0.03单层下压量、8％二次进给重叠率，在局部区域旋转改性工具并按照预设定的轨迹进行运动压缩材料表面，当加工过整个表面后，它将向下移动到先前压缩过后的凹陷表面，移动的距离根据预设定的单层下压量控制，这一过程一直持续到表面材料被压缩到预先定义的厚度。
改性材料的显微硬度相比于7075-T6铝合金基体材料从79.4HV上升到了104.6HV，增长了31.7％，平均摩擦系数相比于7075-T6铝合金基体材料从0.395下降到了0.269。
如图2所示的改性层全厚度微观结构及应力/应变示意图，塑性变形倾向于减小材料的晶粒尺寸，且在改性工具/材料表面的界面产生的摩擦热也有利于表面晶粒尺寸的重新调整，如图3所示的改性后材料表面纹理结构示意图，塑性流动还可导致材料表面织构化，材料表面织构化可有效改善其摩擦学性能，因此新产生的表面属性为残余应力、晶粒细化与织构化的共同结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种渐进式金属表面微纳改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用改性工具末端接触基体材料表面，通过三维建模软件预设定所述改性工具运动参数；
(2)在基体材料表面局部区域所述改性工具以转速为1000rpm~30000rpm、进给速度为1000mm/min~6000mm/min、单层下压量为0.01mm~0.1mm、加工道次为10次~30次、二次进给重叠率为2%~10%，按照步骤(1)中预设定的运动轨迹进行运动，结合旋转摩擦压缩基体材料表面；
(3)当所述改性工具加工过整个基体材料表面后，所述改性工具向下移动到先前压缩过后的凹陷表面，整个压缩过程改性工具都辅以超声振动，超声振动的静压力为150N~350N，振幅为2μm~7μm；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到基体材料被压缩到预定的厚度，结合旋转摩擦、超声振动实现表面微纳结构自生长，并利用改性工具/材料表面的界面摩擦热实现表面晶粒尺寸的重新调整；得到的基体与纳米晶层无明显分离界面。
2.根据权利要求1所述的渐进式金属表面微纳改性方法，其特征在于，所述运动轨迹为单向型、往复型、网格型或螺旋型。
3.根据权利要求1所述的渐进式金属表面微纳改性方法，其特征在于，步骤(3)中向下移动的距离根据预设定的单层下压量控制。
4.根据权利要求1所述的渐进式金属表面微纳改性方法，其特征在于，所述改性工具末端为球头、平头或针头。
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