一種電脈沖和超聲耦合實(shí)現(xiàn)金屬表面晶粒細(xì)化的工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面晶粒細(xì)化技術(shù)，特別是一種電脈沖和超聲耦合對(duì)金屬表面進(jìn)行晶粒細(xì)化的工藝，該工藝在金屬工件上加載高能脈沖電流過(guò)程的同時(shí)對(duì)金屬工件表面進(jìn)行超聲頻的沖擊，使金屬工件表面形成細(xì)晶層并改善表層的應(yīng)力狀態(tài)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的力學(xué)性能與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一般認(rèn)為，細(xì)化晶?？梢酝瑫r(shí)提升金屬材料的強(qiáng)度和塑性，是一種有效且常用的金屬力學(xué)性能強(qiáng)化手段。常用的晶粒細(xì)化工藝一般是對(duì)金屬施加較大的載荷使其發(fā)生嚴(yán)重的變形，同時(shí)使其組織內(nèi)部的缺陷大量增殖，形成亞結(jié)構(gòu)或發(fā)生再結(jié)晶，最終實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。從金屬材料失效破壞的方式來(lái)看，許多破壞都是從金屬的表面開(kāi)始的。最典型的三種與表面有關(guān)的破壞是磨損、疲勞和腐蝕。因此在金屬的表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化和表面處理可以有效的改善金屬的力學(xué)性能，延長(zhǎng)其服役的壽命。在這一思路的指導(dǎo)下，材料的表面工程，特別是材料的表面納米化近年來(lái)成為學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注和研宄的熱點(diǎn)。
[0003]金屬的表面納米化有多種方法，其中一類方法是金屬材料表層自身納米化(SSN)，該方法一般是采用表面機(jī)械摩擦、機(jī)械沖擊或者高速噴丸等技術(shù)，對(duì)金屬表面施加劇烈塑性變形，使表面的晶粒細(xì)化至納米尺度。在此類金屬表面改性工藝中，采用超聲加工的方法具有非常重要的價(jià)值，在各種工程應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)出了許多不同的加工處理方法。其中廣泛的應(yīng)用是利用超聲沖擊設(shè)備直接對(duì)金屬表面進(jìn)行處理。超聲沖擊設(shè)備包括超聲頻震蕩電流發(fā)生器、換能器、變幅桿、工作臺(tái)、加壓和進(jìn)給系統(tǒng)等。其工作機(jī)理是利用振蕩電路產(chǎn)生超聲頻振蕩電流并轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)變幅桿對(duì)振幅放大，有效地向負(fù)載傳輸。超聲加工常用的頻率從20kHz-40kHz，振幅一般在5到50微米之間。
[0004]采用超聲沖擊設(shè)備對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，對(duì)金屬表面組織結(jié)構(gòu)有兩種積極的效果。首先局部的塑性變形使表層金屬晶粒細(xì)化，其明顯的特點(diǎn)是表面的晶?？梢赃_(dá)到納米級(jí)或者亞微米級(jí)。隨著深度增加晶粒由細(xì)變粗逐漸過(guò)渡到與基體組織相同的尺寸。其次局部的塑性變形改變表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，在金屬的表面形成了壓向的殘余應(yīng)力。在大多數(shù)情況下，殘余壓應(yīng)力可以在一定程度上抑制裂紋萌生和擴(kuò)張，提高材料的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命O
[0005]上述超聲沖擊處理工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，并且工程實(shí)際應(yīng)用的效果較好，大量應(yīng)用于工程和工業(yè)生產(chǎn)中。特別是大型金屬結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的焊縫處理領(lǐng)域，該工藝對(duì)殘余應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化有效的提高了焊縫結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。該工藝存在的不足之處也非常明顯，主要可以歸結(jié)為以下四點(diǎn):
1.超聲沖擊后，金屬表面將出現(xiàn)很大的加工硬化。加工硬化雖然可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但是由于缺乏塑性變形能力，使其出現(xiàn)脆性的傾向。在某些復(fù)雜的受力狀態(tài)下或者偶然出現(xiàn)的過(guò)載下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)將被放大，這對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性埋下不小的隱患。
[0006]2.超聲沖擊后，尤其是在過(guò)度的沖擊后，沖擊觸頭在金屬表層留下劃痕或微裂紋等表面缺陷，圖1所示為S45C鋼表面超聲處理后的裂紋源(矩形框處)。雖然應(yīng)力狀態(tài)改變后有利于抑制宏觀裂紋的萌生和擴(kuò)張，但是表面缺陷可能直接成為裂紋源，反而對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有害。
[0007]3.由于金屬自身的形變抗力，超聲沖擊只造成局部的塑性變形，晶粒細(xì)化的深度有限，一般小于200微米。如果可以進(jìn)一步增加變形層或者細(xì)化層的厚度，將進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。
[0008]4.單純的超聲沖擊需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能使金屬表層達(dá)到較高的壓向殘余應(yīng)力狀態(tài)，從人力成本和時(shí)間成本上來(lái)說(shuō)，都是不夠經(jīng)濟(jì)的。如前所述，長(zhǎng)時(shí)間的沖擊造成的金屬表面損傷也不可能通過(guò)超聲進(jìn)行修復(fù)，這是超聲沖擊的矛盾所在。
[0009]金屬材料在電刺激(電流、電子輻射等)作用下在流變應(yīng)力下降的同時(shí)塑性顯著提高的現(xiàn)象稱之為電致塑性效應(yīng)。目前，將超聲沖擊和電致塑性O(shè)i加高能電脈沖)復(fù)合作用于金屬表面，改善其表層微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，提高其力學(xué)性能和耐蝕性的方法，未見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)披露。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前工業(yè)和工程中廣泛采用的超聲沖擊存在的上述缺陷和不足，提供一種電脈沖和超聲耦合實(shí)現(xiàn)金屬表面晶粒細(xì)化的工藝，其將高能電脈沖與超聲沖擊進(jìn)行耦合，共同作用于金屬材料表面，在處理過(guò)程中動(dòng)態(tài)的對(duì)金屬表面進(jìn)行適當(dāng)軟化和組織修復(fù)，以彌補(bǔ)單純超聲沖擊帶來(lái)的表面加工硬化和宏觀表面缺陷等問(wèn)題，優(yōu)化了金屬表面的力學(xué)性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，提高構(gòu)件的安全性。
[0011]本發(fā)明提供的電脈沖和超聲耦合實(shí)現(xiàn)金屬表面晶粒細(xì)化的工藝，包括如下步驟:通過(guò)兩支電極導(dǎo)入脈沖電流至金屬件的待處理表面區(qū)進(jìn)行電致塑性處理，選擇該待處理表面內(nèi)脈沖電流作用的中央?yún)^(qū)域作為超聲沖擊區(qū)域，同時(shí)利用超聲沖擊設(shè)備的高硬度沖擊壓頭對(duì)該超聲沖擊區(qū)域的表面依次進(jìn)行超聲沖擊處理。
[0012]其中，所述脈沖電流作用的中央?yún)^(qū)域是指所述待處理表面內(nèi)位于所述兩支電極之間的、寬度為l-15cm的部分。所述金屬件的待處理表面可以是平面、曲面或異型面等。
[0013]采用本發(fā)明工藝對(duì)金屬件(包括金屬結(jié)構(gòu)件、產(chǎn)品)表面的平面或曲面區(qū)域處理時(shí)，所述高硬度沖擊壓頭的振動(dòng)頻率15000-45000HZ，振幅5_25 μ m ;超聲沖擊靜壓力介于30-200N ;所述脈沖電流由脈沖電源通過(guò)一對(duì)電極導(dǎo)入金屬件的待處理平面或曲面區(qū)域，導(dǎo)入的脈沖電流參數(shù)為頻率50-2000HZ、脈寬20-1000 μ s、峰值電流100-10000A。所述電極可以是表面接觸電極等。
[0014]所述超聲沖擊設(shè)備可以由支撐設(shè)備帶動(dòng)以速度l-5mm/s相對(duì)于所述待處理金屬件的表面形貌的要求進(jìn)行跟蹤移動(dòng)。當(dāng)對(duì)所述超聲沖擊區(qū)域的表面進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)超聲沖擊處理時(shí)，超聲沖擊工作速度為0.05-5cm2/min。
[0015]所述超聲沖擊設(shè)備的高硬度沖擊壓頭為超聲沖擊施加載體，該高硬度沖擊壓頭為球形壓頭，其曲率半徑為5-10mm，硬度大于60HRC。
[0016]超聲沖擊設(shè)備可借助支撐設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，如采用經(jīng)過(guò)自行改裝的銑床、磨床、加工中心等。若采用銑床等設(shè)備，金屬構(gòu)件固定在與銑床工作臺(tái)絕緣的夾具上，用超聲沖擊設(shè)備替換相應(yīng)的銑刀等刀具或夾具。此外，處理時(shí)超聲沖擊設(shè)備也可以簡(jiǎn)易手持。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下；
本發(fā)明將超聲沖擊和高能電脈沖復(fù)合用于金屬表面改性處理，快速的改善其微觀組織結(jié)構(gòu)，細(xì)化表層晶粒并得到強(qiáng)度和塑性的良好匹配，使材料表面達(dá)到強(qiáng)韌化的效果，進(jìn)而使材料的壽命和服役的安全性得到較大的改善。利用高能脈沖電流要比傳統(tǒng)熱處理加熱時(shí)所需要的能量少得多，工序和實(shí)施過(guò)程更加簡(jiǎn)單。另外縮短了工件處理的時(shí)間也可降低對(duì)超聲設(shè)備具有高頻大功率狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性工作的苛刻要求，使得超聲處理工藝參數(shù)更易于掌控，大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善工作環(huán)境。
[0018]同時(shí)，對(duì)金屬表面施加高頻脈沖電流和超聲沖擊可以在保留超聲沖擊的處理效果的基礎(chǔ)上，有效解決前述單純采用超聲沖擊的幾個(gè)缺陷。首先在高能脈沖電流的作用下，金屬組織中的缺陷(如位錯(cuò)、空位等)的運(yùn)動(dòng)能力提高。這一效應(yīng)一方面使得表層的形變抗力降低，較深的區(qū)域也將發(fā)生一定程度的塑性變形，使變形帶和細(xì)化層的厚度增大。同時(shí)由于金屬的軟化，整個(gè)形變過(guò)程可以以較快的速率進(jìn)行，有效的提高了沖擊處理的工作效率，節(jié)約時(shí)間成本，適合大規(guī)模的工業(yè)推廣。就整個(gè)處理過(guò)程而言，超聲沖擊使組織硬化，強(qiáng)度提高，并引入了殘余壓應(yīng)力，而脈沖電流促進(jìn)組織回復(fù)軟化，修復(fù)過(guò)分硬化區(qū)域，避免產(chǎn)生表面微裂紋。在各種加工參數(shù)(電參數(shù)和超聲參數(shù))的合理控制下，可以使組織保持晶粒細(xì)化的同時(shí)形成一定的壓向殘余應(yīng)力，降低了加工硬化率，提高材料的塑性和韌性，進(jìn)而提高金屬結(jié)構(gòu)的安全性。