一种物体表面微米级织构的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种物体表面微米级织构的制备方法。

背景技术

表面织构化即应用合适的加工设备和技术手段等，在物体表面生成一系列具有一定分布规律和相应尺寸的微小结构，这种微小结构能够在物体受到摩擦以及磨损时存储一定的润滑油和产生的磨屑，在最大限度的减少由磨屑造成的磨粒磨损的同时，存储的润滑油又能最大限度的保证摩擦表面润滑，改善润滑接触表面的摩擦学或其他方面性能。

表面织构现已被证明是改善表面摩擦学性能的一种有效手段，与无织构的表面相比，具有适当参数的表面织构可以显著降低摩擦副的摩擦系数和磨损体积，但尚未形成明确的设计准则。综合而言，影响摩擦系数最主要的因素是凹坑所占的面积率(影响粗糙度)，其次是凹坑深度和凹坑直径。

现有的织构化设计的手段主要是激光加工工艺，然而，由于大量变量的存在以及控制方程的复杂性等因素，寻求最优的织构参数(尺寸、几何及分布等)仍然具有一定的挑战性和难度，甚至在一些研究结论之间存在很大偏差或截然不同。此外，表面织构的设计极大地依赖工作环境和接触类型，在一定的情况下，如果设计不当，反而容易造成不利的影响。另外激光冲击设备造价及其昂贵，如果利用激光冲击表面仅仅为了获得微米级织构，其成本将远远大于微织构的性能收益。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种物体表面微米级织构的制备方法，该方法基于超声波设备对物体表面进行超声喷丸，仅仅经过几分钟的短暂冲击，就能在物体表面获得一种微米级织构，可大幅降低制备成本，且操作简便；同时通过对微织构进行超声滚压处理在减小摩擦系数的同时，将对粗糙度带来的负面影响降至最低。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种物体表面微米级织构的制备方法，包括以下步骤：

S1、对基体试样进行预处理，降低其表面硬度；

S2、采用超声喷丸设备对基体进行超声喷丸处理，在基体表面获得微米级织构；其中，根据基体材质的初始硬度设置超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率，根据期望制备的微织构参数选择弹丸的尺寸、材质和数量；

S3、在超声喷丸处理后，对制备的微织构进行滚压处理，滚压所使用的介质为超声喷丸所使用的相同直径的弹丸。

上述方案中，步骤S1中，基体预处理的方法为：将基体在530℃～800℃的保温炉中进行回火1～3次，每次回火时间保持在1～3小时。

上述方案中，步骤S2中，超声频率设定为5kHZ～30kHZ，振幅设定为30μm～60μm，超声喷丸时间设定为1s～20min，效率设定为50％以上；若基体表面硬度低于50HRC，则在上述参数范围内选择较小超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率；若基体表面硬度高于50HRC，则在上述参数范围内选择较大超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率。

上述方案中，步骤S2中，所述微织构参数包括织构的表面粗糙度、凹坑深度和凹坑直径；所述弹丸直径为0.5mm～4mm，弹丸材质须保证其刚度和韧性均大于金属基体，弹丸数量控制在20～40颗。

上述方案中，步骤S3中，滚压方法为：先固定试样，然后将S2中使用的弹丸固定在滚压设备上，对滚压设备施加作用力，即要保证对试样有足够的压力，又要保证弹丸不会旋转，边滚压边往复移动，以此保证滚压区域均匀一致。

上述方案中，步骤S3中，滚压时间为30s～8min。

上述方案中，该方法还包括：S4、滚压完毕后，清洗试件表面，将超声喷丸和滚压时残留在表面上的弹丸粉末洗净。

上述方案中，该方法还包括：S5、制备完成后将试样在900℃～1090℃的环境下热处理25min～60min，之后在60℃的油液中淬火，以保证制备好的微米级织构的硬度。

上述方案中，该方法还包括：S6、清洗掉油淬后残留在试样表面上的杂质，并将试样清洗干净。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用超声喷丸对金属基体表面进行处理，通过设置合适的频率、振幅、效率及喷丸时间，以及合适的弹丸的尺寸、材质和数量，可在物体表面制备适合其表面力学性能的微织构来最大限度的减小物体摩擦时的摩擦系数和磨损量。在超声喷丸时，不同区域间对冲击力的承受能力也不同，所以在不同区域由冲击产生的微米级凹坑的织构参数(尺寸、几何及分布)受其本身的分子间作用的影响，产生适应于本区域力学性能的微米级织构，同时也平衡了分子间的作用力，使物体表面受力状态更为稳定，能够在物体受到摩擦以及磨损时存储一定的润滑油和产生的磨屑，在最大限度的减少由磨屑造成的磨粒磨损的同时，存储的润滑油又能最大限度的保证摩擦表面润滑，改善润滑接触表面的摩擦学或其他方面性能。

2、为了降低超声喷丸对物体表面粗糙度的影响，本发明在超声喷丸结束后以相同的弹丸为介质对织构表面进行滚压处理，可以有效改善物体表面粗糙度，且不会对其减摩减损效果带来很大的负面效果。

3、本发明方法仅仅经过几分钟的短暂超声喷丸处理，就能在物体表面获得一种微米级织构，从而有效实现物体在与外界的摩擦过程中的减摩减损。与现有的激光冲击相比，制备成本大幅度降低，且操作简便，不需要设计织构的阵列，只需要根据织构的尺寸要求范围选择不同尺寸的冲击弹丸。因此，本发明可广泛应用于发动机缸套、滑动轴承、齿轮、机械器件表面的减摩减损领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中经超声喷丸处理制备的表面微米级织构2维轮廓图；

图2是对超声喷丸处理制备的表面微米级织构滚压后的2维轮廓图；

图3是本发明实施例中陶瓷球分别与未对表面制备微米级织构的原始试样、与对其表面制备微米级织构的金属试样、与对微米级织构进行滚压处理的金属试样对磨20min内三组试样的摩擦系数随时间的变化曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明实施例提供了一种物体表面微米级织构的制备方法，包括以下步骤：

S1、对金属基体试样进行预处理。将其在530℃～800℃的保温炉中进行三次回火，每次回火时间保持在1～3小时左右。通过预处理使金属试样组织中的碳化物(MC,M

S2、采用超声喷丸设备对基体进行超声喷丸处理，在基体表面获得微米级织构。超声喷丸设备包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头和喷丸腔，超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头依次相连，超声喷头的上端插入喷丸腔内部，将若干弹丸铺覆于超声喷头表面，将金属基体放置于喷丸腔室上端并通过工具进行固定，使丸粒和金属基体之间留有一定距离便于超声喷头的振动。通过超声波发生器设置合适的频率、振幅、效率及喷丸时间，然后启动超声喷丸设备对金属基体表面进行喷丸处理。

其中，超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率根据基体材质的初始硬度设置，超声频率设定为5kHZ～30kHZ，振幅设定为30μm～60μm，超声喷丸时间设定为1s～20min，效率设定为50％以上(目的是为了保证喷丸后的金属表面产生足量的微米级凹坑，这些凹坑在基体表面形成的起起伏伏的粗糙峰和微坑，共同组成微米级织构)；若基体表面硬度低于50HRC，则在上述参数范围内选择较小超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率；若基体表面硬度高于50HRC，则在上述参数范围内选择较大超声频率、振幅、超声喷丸时间和效率。

弹丸的尺寸、材质和数量根据期望制备的微织构参数选择，所述微织构参数包括织构的表面粗糙度、凹坑深度和凹坑直径，表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度(即凹坑)，表面粗糙度越小越光滑，但与其他物体的接触面积增大；表面的凹坑可以有效减少该金属基体与外界物体的接触面积，从而较少划伤和磨损，凹坑的深度不易过小也不易过大，过小不能有效减小基体与外界的接触面积，过大则会过度增加表面粗糙度。弹丸直径越大，数量越多，制备得到的表面微米级织构中的凹坑深度和直径就越大，同时粗糙度增加，但接触面积减小。为了平衡粗糙度与接触面积(保证在较小的接触面积下粗糙度尽可能小)，弹丸直径一般选取为0.5mm～4mm，弹丸材质须保证其刚度和韧性均大于金属基体，此外弹丸的数量也应合适，弹丸数量控制在20～40颗，确保在超声喷丸时能产生凹坑。

如图1所示，超声喷丸制备的表面微米级织构2维轮廓，从图中可以看出，其表面有许多凹坑组成的波峰和波谷，高度在-20μm～20μm之间，有效的减小了其与其他物体的接触面积，然而，与此同时，表面粗糙度也有所增加。

S3、在超声喷丸处理后，对制备的微织构进行滚压处理。为了保证微织构的表面粗糙度合适，既能有效的减小与其他物件的接触面积，又不至于因为粗糙度过大而产生不良影响，在超声喷丸后可对制备的微织构进行滚压。为了保证滚压效果，滚压所使用的介质为超声喷丸所使用的相同直径的弹丸(直径过小，滚压所需要的时间增加，直径过大，在滚压过程中可能产生更大的凹坑直径)。滚压时间为30s～8min。

具体滚压方法为：先固定试样，然后将S2中使用的弹丸固定在滚压设备上，对滚压设备施加作用力，即要保证对试样有足够的压力，又要保证弹丸不会旋转，边滚压边往复移动，以此保证滚压区域均匀一致。由于弹丸边滚压边往复移动，与试样的接触面积逐渐增加，在滚压的过程中，会进一步改善上一步弹丸强化试样后产生的粗糙度。

如图2所示，对超声喷丸制备的表面微米级织构滚压后的2维轮廓，从图中可以看出，在滚压过后，其表面的凹坑直径大幅度降低，其表面由凹坑组成的波峰和波谷高度在-10μm～8μm，与图1相比，在保证较小的接触面积的同时，改善了粗糙度。

S4、滚压完毕后，用丙酮清洗试件表面，将超声喷丸和滚压时残留在表面上的弹丸粉末洗净。

S5、制备完成后将试样在900℃～1090℃的环境下热处理25min～60min，之后在60℃的油液中淬火，以保证制备好的微米级织构具有足够高的硬度。

S6、用丙酮清洗掉油淬后残留在试样表面上的杂志，并将试样清洗干净。

为了考量制备的金属表面微米级织构的效果，即是否能在试样受到摩擦磨损时有效减小其摩擦系数。现将三组金属试样放到摩擦磨损试样中磨损20min,与之对磨的摩擦副为直径6mm的陶瓷球(Si

需要说明的是，原始试样与实验组的唯一区别是表面有无微米级织构及是否滚压，对照组在摩擦试验前也进行了与步骤S1、S7、S8的处理。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。