一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法

技术领域

本发明属于塑性加工领域，涉及一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法。

背景技术

实际的工业应用中有大量的管件的内表面要求改性处理，以提高抗磨损、耐腐蚀和抗疲劳性能。比如油田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车气缸套，以及军事领域特别是海军舰艇尚配置的舰炮炮管以及鱼雷发射管等。这些在恶劣环境下工作的管件内壁亟待优化处理。再比如洗煤工业中的金属管材在运送重颗粒(如矿石，煤渣)时发生严重的磨粒磨损[2]，导致其使用寿命大约在几个月到1年的范围，频繁的管道维修更换，不但浪费了大量的资源，增加了劳动强度和成本，也影响生产效率和安全性，急需强化处理。

材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等，改善材料的表面结构及表面性能可提高材料整体的服役行为。通过物理、化学或复合的方法制备涂层、薄膜或进行表面改性技术存在涂层或薄膜与材料基体的结合力不高，制备难度大。目前常用的耐磨管件复合技术，如运用特殊工艺在管件内表面制备高硬度、高耐磨性介质内衬如铸石内衬、塑料合金内衬、耐磨陶瓷内衬等存在耐磨涂层硬度高、脆性大，不耐冲击，易破碎，切削加工困难等问题。急需一种简单易行，性能优良的内表面处理技术。

金属的强度取决于内部的缺陷密度，通过塑性变形或其他技术实现的组织结构细化，因大大提高的材料内部的缺陷浓度，使材料的强度、硬度、耐磨性、化学活性等得到大幅度提高。运用表面塑性变形技术，使材料表面的缺陷浓度大幅度提高，可实现材料表面高达十倍以上的强化，化学活性的大幅度提高，也大大促进了表面化学热处理，不但显著降低化学热处理温度，还进一步提高了表层的组织性能。不但如此，由于消除了传统涂层技术中致命的界面结合问题，形成的具有梯度分布的结构赋予材料独特的整体性能。近年来得到深入研究的表面纳米化技术，即是这样一种表层优化技术。迄今发展了多种通过表面塑性变形实现的表面自纳米化技术，如表面机械研磨处理(SMAT)，表面机械碾磨处理(SMGT)，表面机械滚压处理(SMRT)等等。表面塑性变形技术已经在多种金属材料中获得纳米结构表层，不但显著提高了材料的表层硬度还获得梯度分布的硬度梯度显著提高了材料的摩擦磨损性能。表面塑性变形处理还提高了材料的抗疲劳及化学活性，与传统的化学热处理相结合更优化了材料的表面性能。

国内外已有多项表面纳米化的专利获得授权或受理，自重公开号为CN2400456、CN1301873、CN1336321(等效专利号FR2812284、WO0220463、AU8408701)的专利、公开号CN1336444(FR2812286、WO0210461、AU8224001)的专利，公开号为CN1336445(FR2812285、WO0210462、AU8224101)的研究多针对金属材料板材以及回转件(棒材)的外表面，而对管材内表面的自纳米化尚无系统研究。因此专利提出一种利用塑性变形性方法实现管件内表面结构性能优化的方法。除了工艺本身实现材料内表面的强化、硬化、高耐磨和抗疲劳之外，还可与其他表面化学热处理技术相结合，进一步提高材料的整体服役行为。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法，实现直管内表面的结构性能优化。。

本发明采用的技术方案如下：

一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法，通过点接触的形式在金属直管的内表面进行高速的剪切变形，从而实现管件内表面的结构性能优化。

具体的，在管件的加工过程中，刀具对样品内表面以点接触的形式施以高速剪切应力，并形成梯度分布、过渡均匀且厚度在500μm以上的硬化层，表层硬度较心部大幅度提高，表面光洁度达到Ra<0.2，从而提高管件内表面的耐磨性、抗腐蚀性能等等，延长管件的服役寿命。通过对管件内表面引入严重塑性变形的方法，制备出高应变、高梯度的变形组织，该方法即通过对材料施以严重的塑性变形来达到提高材料强度硬度，降低晶粒尺寸的目的，常用于金属材料纳米晶的制备，如高压扭转、累积叠轧、表面机械研磨等等；其表层剪切应变达到10以上，处理表面的晶粒尺寸细化到约20纳米。

本发明提供的一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法，具有以下技术优势：点接触引入高速剪切塑性变形，并且直管加工中的有效冷却；直管加工前后的壁厚均匀和准直度有效保障；直管内表面形成500微米的塑性变形表层，使得直管内内表面硬度、强度提高5-10倍，表面质量提高至粗糙度Ra：0.02-0.2；直管内内表面化学活性大幅度提高，降低渗氮、渗碳等化学热处理温度200℃以上。

附图说明

图1为实施例加工刀具结构示意图；

图2a为实施例1个道次处理后304SS管件截面组织的扫描电镜图；

图2b为实施例2个道次次处理后304SS管件截面组织的扫描电镜图；

图2c为实施例4个道次处理后304SS管件截面组织的扫描电镜图；

图3为实施例1个道次处理后原始退火孪晶在外加载荷下的偏转情况的金相图；

图4为实施例孪晶偏转量与深度关系的数据统计与拟合图；

图5为实施例经一个道次处理后样品表面变形层的塑性应变分布图；

图6为实施例表层纳米层片结构的透射电镜图；

图7为实施例1个道次处理样品的硬度与平均晶粒尺寸随深度变化图。

具体实施方式

结合具体实施方式说明本发明的具体技术方案。

本发明的直管内表面结构性能优化的基本原理是通过高速、高应变梯度塑性变形实现组织结构的细化并获得梯度变形结构。主要包括三个技术环节：

(1)直管内表面的准直度修正；通过图1上的车刀5实现，车刀5为装夹于该处的普通车床，用硬质合金材质制成的车刀，对管材进行预车以调整其尺寸和准直度，该车刀5可做径向微调。

(2)准直度修正中的切屑清理；通过图1的钢刷4实现切屑清理。

(3)点接触产生高速剪切塑性变形，通过图1中呈120o分布的硬质合金球3实现，硬质合金球3内含涨紧装置。

具体实施过程：直管水平安装在工业用机床上，绕直管轴心做10-300转/分钟的旋转，同时沿水平方向平移1-50毫米/分钟(旋转和水平移动速度可调)。图1所示机构固定在与直管轴心同一水平线，所示参数以直径为50mm的直管为例，管径变化，机构尺寸做相应调整。微调车刀5首先对直管内壁做微量车削，随后利用钢刷4将碎屑去除。直管内壁被三排硬质合金球顶紧，旋转引入点接触高速剪切塑性变形，直管水平平移实现直管内壁的均匀处理。三排硬质合金球设计成可拆卸装置，以便于损耗件的更换。处理过程中，运用冷却水及时冷却管材内表面。上述处理过程可反复进行。

本实施例使用的管件为外径为80mm，内径为50mm的304不锈钢钢管，试样处理前在1100℃下固溶处理1h，并酸洗去除氧化层。实验参数为：主轴输出转速为80r/min，水平移动速度为10mm/min，硬质合金球压入样品的深度约为50μm，冷却方式为水冷。刀具与样品接触位置从样品的一端运动到另外一端为一个道次，本次试验样品共处理一、二、四个道次，处理后304管件横截面组织扫描电镜图依次如图2a、图2b、图2c所示。

如图2a所示为一个道次处理后304管件横截面组织扫描电镜图，基体为均匀粗大的奥氏体晶粒，经不同道次处理后分别形成了约350μm、450μm、700μm厚的变形层，变形结构主要由位错、孪晶和剪切带组成。以一个道次处理后的样品为实验样本，找到了原始方向垂直于表面的退火孪晶，根据退火孪晶在加工过程中的偏转量(Y)与样品距处理面的深度(X)之间的关系来计算样品表面变形层的塑性应变分布，具体参照了X.C.Liu et al.ActaMaterialia. 2015,(96):24–36等人的方法。

如图3所示，为经一个道次处理后304不锈钢管件内表面横截面的金相图片，图中黑点所描绘出的弯曲界面即为原始方向垂直于处理表面的退火孪晶界在外加载荷作用下的偏转情况。

通过对孪晶偏转量和其所处深度的统计，并对偏转量求对数，发现其与深度大致呈线性分布，对该实验数据进行拟合可得到偏转量的对数与深度的对应关系，进而得到偏转量与深度的对应关系，并求出其应变和应变梯度的宏观分布。如图4所示。

由图5可以得知，经一个道次变形后的样品，其处理表面的剪切应变可以达到10左右，已经属于严重塑性变形的应变范畴。并对最表层组织进行透射电镜的结构表征，如图6所示，在最表层成功的得到了纳米尺寸的层片组织，其平均晶粒尺寸在40nm左右。

结合晶粒尺寸和硬度，如图7所示，基体的硬度约为200HV，警告过一个道次处理以后，表层的硬度达到了400HV以上，相比于基体提高了一倍。

其平均晶粒尺寸处理前为23μm，处理过程中在孪晶和位错的双重作用下，最终细化到了纳米级别，实现了304SS管件的内表面纳米化，并提高了内表面的服役强度。