一种提高金属构件抗粘接性能的方法 |
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| 申请号 | CN202210547418.9 | 申请日 | 2022-05-18 | 公开(公告)号 | CN117126985A | 公开(公告)日 | 2023-11-28 |
| 申请人 | 中国科学院金属研究所; 中国人民解放军海军工程大学; | 发明人 | 王培; 陈响军; 李殿中; 李依依; 欧阳斌; 张成亮; 马名中; 邓璐; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及金属构件性能提升方法，特别是一种提高金属构件抗粘接性能的方法，属于金属构件制造领域。金属构件在实际服役过程中，常出现在紧密配合面粘接的现象。一旦发生粘接一方面会直接影响紧密配合面的表面 质量 和配合 精度 ，另一方面会导致配合件无法拆卸，造成严重损失。本发明发现金属构件粘接主要是材料表面发生微观尺度上的塑性 变形 ，展露出的新鲜表面之间实现 原子 结合，引起宏观尺度上的粘接。据此提出通过整体或局部 热处理 调整表面/近表面显微组织、表面机械变形等一种或两种以上方式相结合的方法，提升金属构件表面加工硬化率，从而实现提高材料抗粘接能 力 的目的，可以在保证材料安全服役的前提下提升其抗粘接性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种提高金属构件抗粘接性能的方法，其特征在于，通过整体热处理或局部热处理调整显微组织、施加表面机械变形的一种或两种以上方式相结合的手段，提升金属构件表面加工硬化率，从而实现提高构件抗粘接性能的目的。 |
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| 说明书全文 | 一种提高金属构件抗粘接性能的方法技术领域[0001] 本发明涉及金属构件性能提升方法，特别是一种提高金属构件抗粘接性能的方法，属于金属构件制造领域。 背景技术[0002] 金属材料作为一种重要的结构材料，在使用过程中常需要传递、承受较大的应力，有时还需要承受严重的交变载荷。目前，在一些金属构件实际服役过程中，常出现在紧密配合面粘接的现象，一旦发生粘接一方面会直接影响紧密配合面的表面质量和配合精度，另一方面会导致配合件无法拆卸，造成严重损失。这种现象在奥氏体不锈钢、钛合金等金属材料紧固件使用中更为常见，给实际应用造成极大的困扰。 [0003] 申请人前期研究发现，金属构件在实际服役过程中虽然从宏观受力分析结果上看材料并未发生塑性变形。但在微观尺度上，在金属构件紧密配合面上会发生明显的塑性变形。发生塑性变形时，金属构件配合面会展露出新鲜的金属表面，在配合面压力的作用下，新鲜金属表面形成原子间结合，在宏观尺度上表现出粘接。为提升金属构件抗粘接性能，一方面需要从构件配合面结构参数上进行优化，另一方面需要从提升材料抗粘接性能上进行优化改进。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种提高金属构件抗粘接性能的方法，通过整体热处理或局部热处理调整显微组织、施加表面机械变形等一种或两种以上方式相结合的手段，提升金属构件表面加工硬化率，从而实现提高构件抗粘接性能。在不改变构件材料成分、不改变构件结构参数和整体制造流程的情况下，改善金属构件抗粘接性能。 [0005] 本发明的技术方案： [0006] 一种提高金属构件抗粘接性能的方法，通过整体热处理或局部热处理调整显微组织、施加表面机械变形的一种或两种以上方式相结合的手段，提升金属构件表面加工硬化率，从而实现提高构件抗粘接性能的目的。 [0007] 所述的提高金属构件抗粘接性能的方法，在不改变金属材料化学成分的前提下，通过调整整体热处理工艺或表面热处理工艺，在构件表面和近表面得到加工硬化率更高的显微组织，实现提高材料抗粘接性能的目的。 [0008] 所述的提高金属构件抗粘接性能的方法，在不改变金属材料化学成分的前提下，通过机械碾压、激光冲击或喷丸方式在金属构件表层和次表层引入塑性变形，提升金属构件表面加工硬化率，实现提高材料抗粘接性能的目的。 [0009] 所述的提高金属构件抗粘接性能的方法，该方法获得金属构件的表面加工硬化率，提升至原始平均加工硬化率的1.2倍以上。 [0010] 所述的提高金属构件抗粘接性能的方法，该方法获得金属构件的抗粘接扭矩提高到450Nm以上。 [0012] 本发明的具体原理和机制说明如下： [0013] 如前所述，金属构件在使用过程中常需要传递、承受较大的应力。根据目前的机械设计，除一些特别的场合外，金属构件配合面在实际服役过程中并不会发生材料在宏观尺度上的塑性变形(即材料屈服现象)。但是从微观尺度上来看，在金属构件机械加工表面必定存在一定的微凸体，在实际服役过程中，金属构件配合面两侧金属表面的实际接触面积是小于理论宏观尺度上的接触面积的。因此，在金属构件承力时，特别是有相对滑移时，在微观尺度上表面凸起部位承受远高于宏观力学计算所得到的应力，会发生微观尺度上的塑性变形。 [0014] 随着金属材料在微观尺度上发生塑性变形，其表面会铺展增大，从而展露出内部新鲜的金属原子。在界面压力的作用下，新展露出的内部新鲜原子形成原子间结合，从而造成宏观尺度上的粘接。粘接现象存在以下几个特点：抗氧化性更好的不锈钢、钛合金等材料更容易发生粘接；同种材质构件之间更容易发生粘接；在真空条件下(例如：太空中)金属构件更容易发生粘接；这也是在实际应用过程中，合适的润滑条件下金属构件更不容易发生粘接的原因。 [0015] 本发明发现金属构件粘接主要是材料表面发生微观尺度上的塑性变形，展露出的新鲜表面之间实现原子结合，引起宏观尺度上的粘接。据此提出通过整体或局部热处理调整表面/近表面显微组织、表面机械变形等一种或两种以上方式相结合的方法，提升金属构件表面加工硬化率，从而实现提高材料抗粘接能力的目的，可以在保证材料安全服役的前提下提升其抗粘接性能。 [0016] 因此，本发明提出从提高金属材料加工硬化率的角度提升金属构件抗粘接性能的思路。这是因为提高金属材料加工硬化率会使材料在相同的受力条件下，发生微小的塑性变形后即可显著提高自身强度，使后续塑性变形量减小，从而使整体上展露出的新鲜表面量更小，减轻材料粘接程度。提高金属材料加工硬化率的方式有通过整体或局部热处理改变金属构件主要是表面显微组织，通过外界施加塑性变形在金属构件表面形成加工硬化层等方式。 [0017] 与现有工艺相比，本发明的优点及有益效果如下： [0018] 1、当前为了解决构件粘接问题，通常在初次配合时在构件配合面涂覆润滑材料，但随着服役时间的延长，润滑材料损失或失效后粘接问题会随之而来，后续很难对在役状态下的配合面重新涂覆润滑材料；当前另外的解决方案是更换材料，但更换材料通常会因材料性能变化而影响整个系统的安全校核，造成整体结构的变化。本发明通过热处理或表面机械处理方式，提升金属构件表面的加工硬化率，不受施加润滑条件的影响，而且不会影响整个构件的体材料性能，从而不会对整个系统的安全性造成影响，具有实施方便，对系统影响小的典型优点。 [0019] 2、本发明不影响金属构件整体安全性能，且操作简单，易于推广应用。 具体实施方式[0020] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明中未涉及部分均可以采用现有技术来实现，这里并不作赘述。 [0021] 实施例1： [0022] 某螺栓螺母紧固件由PH17‑4马氏体不锈钢制造而成，其热处理制度为1050℃固溶处理+550℃时效处理，热处理后材料的室温单轴拉伸实验测得，材料的屈服强度为1080MPa，抗拉强度为1140MPa，延伸率为17％，屈服后平均加工硬化率约为352MPa。在M18mm的螺栓螺母中，施加300Nm扭矩时出现粘接现象。 [0023] 根据本发明，将该材料的热处理工艺改为1050℃固溶处理+520℃时效处理，改变热处理后材料的室温单轴拉伸实验测得，材料的屈服强度为1100MPa，抗拉强度为1220MPa，延伸率为16％，屈服后平均加工硬化率约为750MPa。同样在M18mm的螺栓螺母紧固中，抗粘接扭矩可以提高到600Nm以上。按照本发明技术，在不改变材料成分的前提下，通过适当改变材料的热处理制度，在材料中引入一定量的亚稳奥氏体，该部分亚稳奥氏体在变形时发生由奥氏体向马氏体的形变诱导相变，有效提高材料的加工硬化率，从而在略微提高材料宏观屈服强度的情况下，显著提高了材料的抗粘接扭矩。 [0024] 实施例2： [0025] 某螺栓螺母紧固件由PH17‑4马氏体不锈钢制造而成，其热处理制度为1050℃固溶处理+550℃时效处理，热处理后材料的室温单轴拉伸实验测得，材料的屈服强度为1080MPa，抗拉强度为1140MPa，延伸率为17％，屈服后平均加工硬化率约为352MPa。在M18mm的螺栓螺母中，施加300Nm扭矩时出现粘接现象。 [0026] 根据本发明，将由该材料制造的螺栓螺母进行激光冲击强化处理，具体工艺参数如下：激光波长1.06μm，脉宽20ns，输出功率～20J，光斑尺寸 冲击波峰应力大于1.5GPa。处理后材料的表面层加工硬化率提升至500MPa以上。在M18mm的螺栓螺母紧固中，抗粘接扭矩可以提高到450Nm以上。按照本发明技术，在不改变材料成分的前提下，通过适当的表面强化处理，有效提升了该材料表面组织的加工硬化能力，从而显著提高了材料的抗粘接扭矩。 [0027] 实施例3： [0028] 某销轴系统由SUS 316不锈钢制造而成，相关材料的热处理制度为1100℃固溶处理，处理后材料的室温单轴拉伸实验测得，材料的屈服强度为255MPa，抗拉强度为600MPa，延伸率为72％，平均加工硬化率为480MPa。在此销轴系统中，当传递扭矩为800Nm时出现销和轴粘接现象。 [0029] 根据本发明，将由该材料制造的销和轴进行表面机械碾压强化处理，具体工艺参数如下：碾压刀头与工件相对速度～80m/min，下压量2mm，处理后材料的表面加工硬化率提升到650MPa。在相同尺寸的销轴系统中，抗粘接扭矩可以提高到1200Nm以上。按照本发明技术，在不改变材料成分的前提下，通过适当的表面强化处理，有效提升了该材料表面组织的加工硬化能率，从而显著提高了材料的抗粘接扭矩。 [0030] 实施例4： [0031] 某销轴系统由TC4钛合金制造而成，相关材料的热处理制度为950℃固溶处理+550℃时效处理，处理后材料的室温单轴拉伸实验测得材料的屈服强度为850MPa，抗拉强度为950MPa，延伸率为10％，平均加工硬化率为1000MPa。在此销轴系统中，当传递扭矩为1600Nm时出现销和轴粘接现象。 [0032] 根据本发明，将由该材料制造的销和轴进行表面激光冲击强化处理，具体工艺参数如下：激光波长1.064μm，脉宽10ns，输出功率～8J，光斑尺寸 冲击波峰应力大于1.0GPa。处理后材料的表面加工硬化率提升到1500MPa。在相同尺寸的销轴系统中，抗粘接扭矩可以提高到2000Nm以上。按照本发明技术，在不改变材料成分的前提下，通过适当的表面塑性变形，有效提升了该材料表面组织的加工硬化能率，从而显著提高了材料的抗粘接扭矩。 |
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