一种金属材料表面处理方法

摘要

本发明公开了属于金属材料表面处理技术领域的一种金属材料表面处理方法。该方法将经过粗车削的金属工件包覆侧基极性强的聚合物微颗粒粉末，使得聚合物粉末充填于车削沟槽之中；用超声冲击头冲击表面，使得工件车削沟槽中金属与聚合物混合细化至纳米化，形成与基体紧密相连的聚合物和金属复合表面强化层。该方法能增加金属材料的表面耐腐蚀能力；增加表面层的绝缘性；增加金属材料的表面硬度；降低金属材料的表面粗糙度；增加金属材料表面的磨损抗力；晶粒逐渐变小，形成从基体到表面的梯度结构，不改变材料金相组织；具有均匀的残余压应力层，疲劳寿命提高。

权利要求

1.一种金属材料表面处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)将经过粗车削的金属工件包覆侧基极性强的聚合物微颗粒粉末，使得聚合物粉末充填于车削沟槽之中；所述侧基极性强的聚合物微颗粒粉末粒径小于0.5微米；

(2)用超声冲击头冲击表面，使得工件车削沟槽中金属与聚合物混合细化至纳米化，形成与基体紧密相连的聚合物和金属复合表面强化层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述侧基极性强的聚合物为聚氯乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属材料为铜合金、铝合金或各种钢材。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超声波材料表面强化处理设备在处理工件表面时，由超声波振动头以机械动力，均匀行走，沿轴向等速密排处理的方式处理工件表面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超声波振动采用磁滞超声震动原理，频率范围为10-60kHz，功率为300-500W。

说明书

一种金属材料表面处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料表面处理技术领域，特别涉及一种金属材料表面处理方法。

背景技术

[0002] 为了增强金属材料表面的耐蚀性能，于金属材料表面机械涂覆聚合物涂层是常用手段之一。由于涂覆的聚合物与金属材料表面的界面性能存在着的显著差异，使用机械涂覆方法，不能克服金属材料表面和涂层材料之间结合面各部分材料的机械性能、耐磨损性能等存在梯度较大的差异，另外，界面间还存在缺陷、气泡、机械结合力不够等缺陷 ，使得机械涂覆方法处理金属材料表面虽然耐蚀性能增强，但明显的表现出显微硬度低、不耐摩擦磨损、界面结合力不强等缺陷，导致使用寿命降低。

发明内容

[0003] 本发明提供一种金属材料表面处理方法，该方法采用超声冲击金属材料表面的方法在金属材料表面形成金属和聚合物的复合材料表面强化层。

[0004] 超声冲击作用下形成的表面强化层为细化、纳米化层，这一强化表层与金属基体紧密相连，表面层材料的颗粒直径逐渐梯度过渡、硬度逐步增加。金属和聚合物的复合表面强化层可大幅度提高材料的耐蚀性、绝缘性和耐磨性。同时提高了材料表面硬度，抗疲劳性能、表面残余压应力等性能。

[0005] 金属材料表面复合强化层处理方法具体如下：

[0006] （1）.将经过粗车削的金属工件包覆侧基极性强的聚合物微颗粒粉末，粉末粒径小于0.5微米，使得聚合物粉末充填于车削沟槽之中。经过粗车削的金属工件，表面有粗糙均匀分布的加工沟痕，详见图1，聚合物粉末充填于工件车削沟槽之中，详见图2； 然后将被加工工件置于车床或机床工作位置。

[0007] （2）.用超声冲击头冲击表面，使得工件车削沟槽中金属与聚合物混合细化至纳米化，形成与基体紧密相连的聚合物和金属复合表面强化层，如图3所示。

[0008] 所述侧基极性强的聚合物优选聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

[0009] 所述金属材料优选铜合金、铝合金及各种钢材。

[0010] 超声波材料表面强化处理设备在处理工件表面时，由超声波振动头以机械动力，均匀行走，沿轴向等速密排处理的方式处理工件表面，图示见图 4 。可保证每一点上处理情况相同，被处理表面的条件一致和均匀，并且有较高的光洁度，保证超声波处理造成的表面均匀度。超声波振动采用磁滞超声震动原理，频率范围为10-60KHz，功率为300-500W。超声波表面强化处理装置采用专利申请号为200820109136.6（公开号CN201212054）的设备。

[0011] 本发明提供的金属材料表面处理方法，采用超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合表面强化层的综合作用如下：

[0012] a. 增加金属材料的表面耐腐蚀能力；

[0013] b. 增加表面层的绝缘性；

[0014] c. 增加金属材料的表面硬度；

[0015] d. 降低金属材料的表面粗糙度；

[0016] e. 增加金属材料表面的磨损抗力；

[0017] f. 晶粒逐渐变小，形成从基体到表面的梯度结构，不改变材料金相组织；

[0018] g. 具有均匀的残余压应力层，疲劳寿命提高。

附图说明

[0019] 图1是工件粗车示意图；

[0020] 图2是粗车削的工件沟槽内充填聚合物示意图；

[0021] 图3是超声冲击头冲击表面形成金属与聚合物混合细化至纳米化表层；

[0022] 图4是超声波振动头延轴向等速密排均匀处理工件图示；

[0023] 图5是未经处理表面及超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面的工件形貌；

[0024] 图1中标号：1-车床卡盘；2-工件；3-顶针；4-车削刀头

[0025] 图2中标号：1-经过粗车削的工件；2-聚合物粉末槽；

[0026] 图3中标号：1-车床卡盘；2-沟槽内充填聚合物的工件；3-顶针；4-超声波冲击头；

[0027] 图4中标号：1-工件； 2-超声波处理工具；3-车床卡盘；4-车床心轴顶针；5-工具锁。

具体实施方式

[0028] 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0029] 实施例1

[0030] 一种金属材料表面处理方法，该方法采用超声冲击金属材料表面的方法，将聚合物细化并置于金属材料表面之中，使之形成金属和聚合物的复合表面强化层。

[0031] 超声冲击作用下形成的表面强化层为细化、纳米化层，这一强化表层与金属基体紧密相连，表面层材料的颗粒直径逐渐梯度过渡、硬度逐步增加。金属和聚合物的复合表面强化层可大幅度提高材料的耐蚀性、绝缘性和耐磨性。同时提高了材料表面硬度，抗疲劳性能、表面残余压应力等性能。

[0032] 金属材料表面处理方法原理及方式描述如下：

[0033] （1）. 将经过粗车削的金属工件包覆侧基极性强的聚合物微颗粒粉末，粉末粒径小于0.5微米，使得聚合物粉末充填于车削沟槽之中。经过粗车削的金属工件，表面有粗糙均匀分布的加工沟痕，详见图1，聚合物粉末充填于工件车削沟槽之中，详见图2； 然后将被加工工件置于车床或机床工作位置。

[0034] （2）.用超声冲击头冲击表面，使得工件车削沟槽中金属与聚合物混合细化至纳米化，形成致密度高的与基体紧密相连的聚合物和金属复合表面强化层，如图3所示。超声波材料表面强化处理设备在处理工件表面时，由超声波振动头以机械动力，均匀行走，沿轴向等速密排处理的方式处理工件表面，图示见图 4 。可保证每一点上处理情况相同，被处理表面的条件一致和均匀，并且有较高的光洁度，保证超声波处理造成的表面均匀度。超声波振动采用磁滞超声震动原理，频率范围为10-60KHz，功率为300-500W。超声波表面强化处理装置采用专利申请号为200820109136.6（公开号CN201212054）的设备。

[0035] 超声波振动采用磁滞超声震动原理，频率为40KHz，功率为400W。

[0036] 所述侧基极性强的聚合物为聚苯乙烯。

[0037] 所述金属材料为60#车轮钢。

[0038] 具有金属和聚合物复合强化层的工件表面，见图5；

[0039] 超声冲击金属表面形成金属和聚合物复合表面强化层性能试验结果[0040] 经超声冲击金属表面聚合物复合强化涂层技术处理后，得到的表面复合强化层性能试验结果，超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面表层显微硬度试验结果、表面摩擦磨损试验结果、表面处理前、后高周疲劳寿命试验结果、表面残余压应力测试结果。

[0041] 经超声波表面处理后得到金属和聚合物复合强化层的工件表面部分数据如下：

[0042] （1）. 超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面表层显微硬度试验结果

[0043] 对国产60#车轮钢经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面显微硬度试验结果，见表一。

[0044] 表一. 国产60#车轮钢经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面显微硬度试验结果

[0045]

[0046] （2）经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面摩擦磨损试验结果[0047] 对国产60#车轮钢经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面摩擦磨损试验结果

[0048] 检验机构：清华大学摩擦学国家重点实验室

[0049] 送样单位：北京有色金属研究总院

[0050] 试验目的：摩擦磨损性能测试

[0051] 试验机名称：SRV高温磨损试验机-西德OPTIMEL公司

[0052] 运动形式：往复滑动 润滑：液体石蜡

[0053] 接触形式：点接触（柱面/柱面 ）

[0054] 试验条件：载荷：10N；频率：50Hz；冲程：1.5mm；

[0055] 试件材料：上件φ16mm （YG8硬质合金）

[0056] 下件国产60＃车轮钢

[0057] 表二. 清华大学摩擦学国家重点实验室磨损试验结果

[0058]

[0059] （3）、经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面处理前、后高周疲劳寿命试验结果

[0060] 表三. 60# 机车车轮钢高周疲劳试验结果

[0061] （于2009年7月铁科院金化所取样）

[0062]

[0063] (4) 表面残余压应力测试结果

[0064] 北京有色金属研究总院对60#车轮钢经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层处理前、后表面的表面宏观残余应力的进行测试，结果见表三。从试验结果可以看出，经超声波表面强化处理形成金属和聚合物复合强化层表面的宏观残余应力为未经超声波处理表面的表面宏观残余应力的2倍。

[0065] 表四. 60#车轮钢样品表面宏观残余应力计算结果

[0066]

[0067] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。