专利名称：采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法
技术领域：
本发明涉及一种金属板表面纳米化方法，尤其涉及一种采用压力滑动轧制方法实现金属板表面组织纳米化的方法。
背景技术：
纳米金属材料由于晶粒细小(通常至少在一维上小于100nm)，界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能。大量实验结果表明纳米金属材料的性能和力学行为与传统粗晶材料明显不同，通常是优于粗晶材料。对于纳米金属材料，强度、硬度和韧性与粗晶材料相比显著提高，但是塑性却明显的降低。金属材料的失效大多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其敏感，材料的表面的结构和性能直接影响金属材料的综合性能指标。所以将金属材料表面组织细化到纳米级，利用其优异性能对传统金属粗晶材料进行表面结构改良，即制备出一层具有纳米晶体结构的表面层，可充分利用表面纳米晶层高强度、高硬度和韧性，同时综合心部粗晶材料良好的塑性，在不改变金属材料化学成分的前提下提高金属材料表面的综合力学性能及环境服役行为。这种表面纳米化处理技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体金属材料制备技术上的困难，另一方面将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料的固有优异性能相结合，在工业应用上具有重要价值。
目前，有多项表面纳米化专利已经获得授权或受理，其中专利CN2400456、CN1301873、CN1336321(等效专利FR2812284、WO0210463、AU8408701)、CN1336444(FR2812286、WO0210461、AU8224001)和专利CN1336445(FR2812285、WO0210462、AU8224101)的基本原理是在密闭的空间内利用金属丸以高频、高速、不同入射角度的撞击材料或工件表面的方式，促使材料表面组织发生强烈的塑性变形而逐步细化，最终形成纳米晶而实现表面纳米化的方法。以上专利的共同特征在于，都使用了弹丸作为输入能量的载体，通过工件表面发生局部强烈塑性变形将表面晶粒细化到纳米尺度，最终达到表面纳米化的目的。这些专利的主要问题是处理过程处于一个密闭的腔体中，能够表面纳米化的工件形状和尺寸有限，无法处理大尺寸的工件。
采用以上专利提供的方法发表了大量的非专利文献，从各个方面详细介绍了表面纳米化处理后材料表面力学性能的改变、表面纳米化机理以及表面纳米化层渗氮的性能、耐腐蚀性能等。
专利CN1410560A(US58260-010100)利用压缩气体携带硬质微粒轰击金属材料表面。该发明可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀。该发明的最大优点是可以纳米化处理的工件形状不受限制。但所形成的表面纳米化层较薄且表面粗糙度较大，表面纳米化的效率较低，最主要问题在于不易大规模生产，且存在粉尘处理问题。
日本公开特许公报JP2003039398则提出了一种基于落锤原理的“金属制品的表面纳米化方法”。根据这一方法，在一个落锤的端面有至少一个突起。落锤加速落下，使每个突起能够以0.1Kg.m/s的动量撞击置于落锤下方的金属件表面，从而使金属件被撞击部位发生表面纳米化。这一方法虽然十分简单方便，但能够处理的金属件的尺寸和形状有限，同时形成的表面纳米晶层的均匀性也不够理想。
以上所述技术方案的缺点是表面纳米化的效率很低，单位表面上处理的时间较长，或者产生粉尘，不能进行大尺寸材料的生产要求。
摩擦学“白层”又称“白亮层”、“白色浸蚀层”、“绝热剪切带”、“再结晶层”和“摩擦学转变结构”等，是摩擦表面产生的重要特征组织。例如，硬度很高的机械零件用钢在经过机加工后，常常形成表面“白层”。有研究[Mater Sci Eng，19(1975)79-86；Mater Sci Eng，A325(2002)356-364]发现，强烈的机械加工导致了表面纳米化，“白层”的晶粒尺寸小于100nm。最近的研究[Mater Trans，45(2004)2209-2213]表明，马氏体钢在钻孔过程中孔壁的应变达到7，从而导致表面纳米化。此外，铁轨、柴油机、刹车块和轴承等，也会产生“白层”。Fe-C-Mn珠光体高速列车铁轨，由于使用过程中受强烈外部震动和摩擦，发了表面纳米化[NanoStruct Mater，9(1997)751-754；Mater Sci Eng，A303(2001)209-215；Wear 254(2003)876-883]。其纳米化机制可以归结为车轮与铁轨接触区发生的强烈塑性变形，伴随着表面纳米化珠光体转变为Fe-C合金，这与机械合金化的情形很相似[Mater Sci Eng，A303(2001)197-208]。
但是，这些现象所描述的表面纳米化现象不稳定，不能保证材料的均匀纳米化和重复性。不能制备特殊规格的产品，更不适合应用于大尺寸、大规模连续生产。
发明内容本发明的目的在于提供一种采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，该方法能实现大尺寸金属板材表面纳米化，且可以实现连续表面纳米化，适合大规模连续生产的要求。
本发明是这样实现的一种采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是采用压力滑动轧制，在金属板的表面由一个压力滑动轧制板提供一个垂直的压应力，在金属板移动时压力滑动轧制板固定不动，使得金属板与压力滑动轧制板之间产生滑动和轧制，致使金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层。
上述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，所述压力滑动轧制板一侧装有高速冷却装置，对滑动轧制后的金属板进行快速冷却，致使金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形后再结晶而细化形成纳米晶表面层。
上述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，所述压力滑动板为上下二个成一对，对金属板上下表面提供一对垂直压应力，形成双面纳米晶表面层。压力滑动板为多对，实现金属板的多次压力滑动轧制处理。
上述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，所述施加在金属板表面垂直方向上的压应力大于金属板移动时表面组织的屈服强度，小于金属板带的抗拉强度。当金属板移动时表面组织屈服强度大于金属板的抗拉强度时，施加的压应力要小于金属板的抗拉强度。
上述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，所述压力滑动轧制板与金属板接触的部位为光滑的曲面形状。
本发明的原理为压力滑动轧制过程中金属板表面组织的强烈变形形成组织细化，并配合温度升降形成的表面组织再结晶促使表面层组织晶粒细化，两个因素的单独或共同作用导致金属材料表面层的组织细化形成纳米晶表面层，实现金属板的表面纳米化。本发明与以往的滚动轧制不同，不是以将金属板轧制变薄、变长为目的，而是采用滑动轧制，其为表面轧制与拉拔同时作用，造成金属板或板带的表面组织产生强烈塑性变形，从而实现金属板或板带的表面纳米化。
本发明与现有技术的主要区别在于1.本发明的方法可实现大规模、连续生产。本发明采用压力滑动轧制技术，在冷轧或热轧生产线上安装压力滑动轧制装置，可以对轧制生产线上的钢板进行在线、连续、大规模生产。这是其它现有技术无法达到的。
2.本发明的处理工艺可在连续轧机上进行而不是置于一个密闭的腔体中的，金属板尺寸几乎不受任何限制。
3.本发明不使用传递能量的飞行介质，能量散失小；也不存在硬质微粒的回收利用和除尘问题；同时，由于没有超音速的喷嘴产生的噪音而无需隔音室(或隔音箱)；本发明能实现大尺寸金属板材表面纳米化，且可以实现连续表面纳米化，适合大规模连续生产的要求，生产效率高。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为本发明金属板表面纳米化方法工艺线示意图；图2为本发明方法制备的表面纳米化40Cr钢板扫描电子显微镜(SEM)照片，其中a为表面图，b为基体图；图3为本发明方法制备的表面纳米化GCr15钢板透视电子显微镜(TEM)照片。
图1中1压力滑动轧制板，3金属板(金属板带)，3张力辊或轧辊，4卷取机，5高速冷却装置。
具体实施方式
参见图1，一种采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，是采用压力滑动轧制。压力滑动轧制板1垂直作用在金属板2上，压力滑动轧制板1可上下调节，给金属板2提供垂直的压应力。压力滑动轧制板1与金属板2接触的部位为光滑的曲面形状，如圆、半圆。与传统的辊轧方式不同，金属板带2的移动不是靠轧辊的咬入牵引，而是依靠张力辊或轧辊3，或者是靠卷取机4的拉力移动的。
压力滑动轧制板1施加在金属板2表面垂直方向上的压应力大于金属板2移动时表面组织的屈服强度，小于金属板带2的抗拉强度。当金属板2移动时表面组织屈服强度大于金属板2的抗拉强度时，施加的压应力要小于金属板2的抗拉强度。在金属板2移动时压力滑动轧制板1固定不动，使得金属板2与压力滑动轧制板1之间产生滑动和轧制。对于金属板2双面的压力滑动轧制，可采用一对压力滑动轧制板1。金属板带2可进行一次压力滑动轧制，也可以进行多次压力滑动轧制，即压力滑动轧制板1可以设计一个或多个，或者是一对或多对。压力滑动轧制后，还可以进行常规辊轧。较厚金属板2还可以进行往复可逆式压力滑动轧制。
压力滑动轧制作用在金属板2上的力导致金属材料表面层组织发生变形，在压轧和滑动的共同作用下金属发生变形。众所周知，在辊轧状态下金属板带2表面组织的变形量远远大于金属板带2心部的变形量，而在本发明的压力滑动轧制情况下，金属板2的心部基本不发生变形而变形主要发生在表面组织中，因此由于压下量的不同以及轧制速度调整，可以形成金属板2宽表面组织的高速大变形，经一次或多次压力滑动轧制后，致使金属板2表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层。
采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法是在低温或室温状态下对金属板带2进行压力滑动轧制，金属板带2在压力滑动轧制过程中，由于表面层组织发生高速大变形，导致金属板带2表面组织的温度升高，在单次压下量较大的情况下，一般此时选择相对较厚的板，金属板带2表面组织的温度升高较多，可以达到再结晶的温度，促使再结晶发生。但是再结晶发生的时间较短，原因是金属板带2心部温度低，致使表面温度降低；压力滑动轧制之后进行高速冷却也促使表面组织温度快速降低，参见图1中高速冷却装置5，其共同作用导致再结晶只形成非常小的晶核，而不发生长大，也有利于调整工艺实现各种金属板2的表面纳米化。
本发明表面纳米化方法可实现金属板带轧制过程中的在线表面纳米化处理。该技术可以在现有冷轧机组或热轧机组的低温段加装一个或多个压力滑动轧制机，在冷轧或热轧生产过程中实现金属板带的表面纳米化。也可以进行与生产线分离的单独表面纳米化处理。
本发明表面纳米化方法适应各种不同金属板表面纳米化。该方法可以调整的工艺参数包括压下量、金属板带速度(轧制速度)、冷却速度、压力滑动轧制次数、压力滑动轧制方向(单向或双向)等，使各种金属板的表面组织的应变都可以达到7以上，实现各种不同金属板表面层组织的高应变速率强烈变形，实现表面纳米化。
本发明表面纳米化方法制备金属板表面质量。金属板带在经压力滑动轧制实现表面纳米化后，可以进行冷辊轧达到要求的板厚，同时控制金属板带的表面质量。也可以进行平整辊来控制金属表面质量。
本发明能实现大尺寸金属板材表面纳米化，且可以实现连续表面纳米化，适合大规模连续生产的要求，生产效率高。
实施例1在冷轧机上，采用冷轧辊精确调整辊缝宽度后，轧辊保持不动，采用冷轧卷取机提供牵引力，采用低温冷却油冷却，实现压力滑动轧制工艺。小试样单向多次轧制达到多级轧制效果，小试样单向轧制后，将试样转180度轧制，实现双向可逆轧制效果。
调质态和淬火态40Cr钢板，规格为200mm×50mm×5mm，在板的两端各开两个φ10的孔，用以连接牵引带，单次压下量为50μm，冷却油温度为5℃，连续5次轧制。压力滑动轧制后的表面组织结果可知，调质态钢板表面纳米化层厚度为100μm，平均晶粒尺寸为60nm，见图1(a)。淬火态钢板经一次压力滑动轧制后表面层组织可明显见到强烈变形，见图1(b)。
实施例2采用实施例1所述的设备和方法，精细退火态GCr15钢，规格200mm×50mm×5mm，在板的两端各开两个φ10的孔，用以连接牵引带，单次压下量为30μm，冷却油温度为25℃，连续5次轧制。
压力滑动轧制后的表面组织结果可知，表面纳米化层厚度为50μm，平均晶粒尺寸为45nm，见图3所示。
实施例3采用实施例1所述的设备和方法，铬锆铜板，规格200mm×50mm×6mm，在板的两端各开两个φ10的孔，用以连接牵引带，单次压下量为60μm，空冷，采用双向轧制，轧制6次。压力滑动轧制后的表面组织结果可知，表面纳米化层厚度为120μm，平均晶粒尺寸为80nm。
实施例4采用实施例1所述的设备和方法，铝合金板，规格200mm×50mm×10mm，在板的两端各开两个φ10的孔，用以连接牵引带，单次压下量为60μm，冷却油5℃，采用双向轧制，轧制3次。
压力滑动轧制后的表面组织结果可知，表面纳米化层厚度为40μm，平均晶粒尺寸为66nm。
实施例5采用实施例1所述的设备和方法，316L不锈钢板，规格200mm×50mm×5mm，在板的两端各开两个φ10的孔，用以连接牵引带，单次压下量为50μm，冷却油温度为5℃，采用单向轧制，轧制4次。
压力滑动轧制后的表面组织结果可知，表面纳米化层厚度为42μm，平均晶粒尺寸为72nm。
具体实施例及结果见表1。
表1压力滑动轧制实施例及结果
权利要求
1.一种采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是采用压力滑动轧制，在金属板的表面由一个压力滑动轧制板提供一个垂直的压应力，在金属板移动时压力滑动轧制板固定不动，使得金属板与压力滑动轧制板之间产生滑动和轧制，致使金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层。
2.根据权利要求1所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是压力滑动轧制板一侧装有高速冷却装置，对滑动轧制后的金属板进行快速冷却，致使金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形后再结晶而细化形成纳米晶表面层。
3.根据权利要求1或2所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是压力滑动板为上下二个成一对，对金属板上下表面提供一对垂直压应力，形成双面纳米晶表面层。
4.根据权利要求3所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是压力滑动板为多对，实现金属板的多次压力滑动轧制处理。
5.根据权利要求1所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是施加在金属板表面垂直方向上的压应力大于金属板移动时表面组织的屈服强度，小于金属板带的抗拉强度。
6.根据权利要求1所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是当金属板移动时表面组织屈服强度大于金属板的抗拉强度时，施加的压应力要小于金属板的抗拉强度。
7.根据权利要求1所述的采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是压力滑动轧制板与金属板接触的部位为光滑的曲面形状。
全文摘要
本发明涉及一种金属板表面纳米化方法，尤其涉及一种采用压力滑动轧制方法实现金属板表面组织纳米化的方法。一种采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法，其特征是采用压力滑动轧制，在金属板的表面由一个压力滑动轧制板提供一个垂直的压应力，在金属板移动时压力滑动轧制板固定不动，使得金属板与压力滑动轧制板之间产生滑动和轧制，致使金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层。本发明能实现大尺寸金属板材表面纳米化，且可以实现连续表面纳米化，适合大规模连续生产的要求，生产效率高。
文档编号C22F1/00GK1978672SQ20051011098
公开日2007年6月13日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者张俊宝, 方园, 宋洪伟 申请人:宝山钢铁股份有限公司