一種高硬度材料表面處理方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，具體涉及一種高硬度材料表面處理方法及裝置，以消除材料表面殘余拉應(yīng)力，形成壓應(yīng)力層；并細(xì)化其表面晶粒，改善其力學(xué)性能。所述高硬度材料一般是指硬度大于55HRC的材料，如金屬材料或金屬?gòu)?fù)合材料等。
【背景技術(shù)】
[0002]在金屬/金屬?gòu)?fù)合材料熱加工(鑄、鍛、焊、熔覆、噴涂等)過(guò)程中，由于溫度循環(huán)和焊接材料與基體材料熱物理參數(shù)不同，通常會(huì)在其表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，并導(dǎo)致熱影響區(qū)組織粗大。此外，金屬零件在冷加工(車、銑、刨、磨等)過(guò)程中，由于塑性變形的不均勻性，也會(huì)在其表面形成殘余應(yīng)力。
[0003]不同性質(zhì)的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)金屬零件的性能產(chǎn)生迥然不同的影響。其中，殘余拉應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重降低金屬零件的力學(xué)性能如耐磨性能和疲勞強(qiáng)度等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致其開(kāi)裂。而殘余壓應(yīng)力則通常會(huì)提高金屬零件的使用性能。因此，需要尋找和開(kāi)發(fā)一種新的工藝方法及裝置，對(duì)加工后的金屬零件表面進(jìn)行處理，一方面消除殘余拉應(yīng)力，并在材料表面形成壓應(yīng)力層，改善其應(yīng)力狀態(tài)；另一方面細(xì)化晶粒，提高其力學(xué)性能。
[0004]超聲沖擊(Ultrasonic Impact Treatment, UIT)是一種高效的金屬表面處理方法。其利用高頻振動(dòng)的沖擊針高速撞擊材料表面，使其產(chǎn)生塑性變形，改變?cè)袘?yīng)力場(chǎng)，從而降低或消除金屬表面殘余拉應(yīng)力，甚至引入一定幅值的壓應(yīng)力，并使工件表面被沖擊部位得以強(qiáng)化。
[0005]中國(guó)發(fā)明專利[CN 101492759A]公布了一種抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的超聲沖擊處理工藝。該方法采用超聲沖擊處理工件表面焊縫區(qū)，并有效地在其表面預(yù)置一定幅值的殘余壓應(yīng)力，有效地提高了其抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。此外，中國(guó)發(fā)明專利[CN 103343205 A]公布了一種采用超聲沖擊控制Fe基熔修層熱裂及殘余應(yīng)力的方法。該方法可以有效抑制焊縫熱裂紋，細(xì)化焊縫表面晶粒并使得焊縫殘余應(yīng)力下降80%以上。
[0006]材料表面的塑性變形能力是決定超聲沖擊效果的關(guān)鍵性因素。塑性變形能力越強(qiáng)，超聲沖擊層越深，效果越好?，F(xiàn)有的超聲沖擊處理直接對(duì)室溫或加工后的材料表面進(jìn)行處理。由于材料在室溫下硬度相對(duì)較高，塑性變形能力相對(duì)較低，因此，超聲沖擊的效果有限。特別對(duì)于金屬化合物基復(fù)合材料和金屬陶瓷復(fù)合材料等硬度較高(>55HRC)的材料，室溫下進(jìn)行超聲沖擊處理的效果并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種高硬度材料表面處理方法及裝置，目的在于一方面消除材料表面殘余拉應(yīng)力，并預(yù)置一定幅值的壓應(yīng)力，改善其應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，通過(guò)塑性變形，細(xì)化其表面組織，提高其力學(xué)性能。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種高硬度材料表面處理方法，該方法采用感應(yīng)線圈對(duì)待處理材料表面進(jìn)行加熱，并使加熱溫度保持在待處理材料的再結(jié)晶溫度以下，在提高其塑性變形能力的同時(shí)，防止回復(fù)和再結(jié)晶；在感應(yīng)加熱的同時(shí)，采用超聲沖擊針同步對(duì)材料表面進(jìn)行高頻撞擊，一方面消除材料表面殘余拉應(yīng)力，并預(yù)置壓應(yīng)力，改善其應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，通過(guò)塑性變形，細(xì)化其表面組織，提高其力學(xué)性能。
[0009]上述方法可以采用下述步驟具體實(shí)現(xiàn):
[0010]第I步調(diào)整感應(yīng)線圈的位置，使其加熱面與待處理材料表面平行，二者之間的間隙為3_?10mm ；
[0011]第2步超聲沖擊針與待處理材料表面在感應(yīng)加熱區(qū)域內(nèi)接觸；
[0012]第3步驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈和超聲沖擊針在待沖擊處理材料表面同步掃描，實(shí)現(xiàn)其表面不同位置的處理，感應(yīng)加熱溫度為200°C?800°C，超聲功率0.5?2.0Kff,頻率15?40KHz，超聲波振幅20?100 μ m。
[0013]本發(fā)明提供的一種高硬度材料表面處理裝置，其特征在于，該裝置包括溫度控制器、感應(yīng)電源、超聲發(fā)生器、變幅桿、超聲沖擊針、運(yùn)動(dòng)控制單元、紅外測(cè)溫儀和感應(yīng)線圈；
[0014]感應(yīng)線圈通過(guò)電纜與感應(yīng)電源連接，超聲沖擊針和變幅桿安裝在超聲發(fā)生器上，感應(yīng)線圈和超聲發(fā)生器均安裝在運(yùn)動(dòng)控制單元上，由運(yùn)動(dòng)控制單元帶動(dòng)其同步移動(dòng)；紅外測(cè)溫儀與溫度控制器和感應(yīng)電源連接；感應(yīng)線圈和超聲發(fā)生器安裝在運(yùn)動(dòng)控制單元上；
[0015]該裝置工作時(shí)，將待處理工件固定，并使感應(yīng)線圈的加熱面和待處理工件的加工表面平行；紅外測(cè)溫儀瞄準(zhǔn)待處理工件上的感應(yīng)加熱區(qū)域以對(duì)其溫度進(jìn)行檢測(cè)，紅外測(cè)溫儀的檢測(cè)信號(hào)輸入溫度控制器，溫度控制器輸出控制信號(hào)對(duì)感應(yīng)電源的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)感應(yīng)加熱溫度進(jìn)行控制；超聲沖擊針與待處理工件接觸，且接觸點(diǎn)位于感應(yīng)加熱作用區(qū)內(nèi)；同步開(kāi)啟感應(yīng)電源和超聲發(fā)生器，運(yùn)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈和超聲沖擊針對(duì)待處理工件表面進(jìn)行掃描，完成對(duì)待處理工件的處理。
[0016]本發(fā)明方法采用感應(yīng)輔助超聲沖擊實(shí)現(xiàn)，它與傳統(tǒng)的超聲沖擊方法相比，具有加工效率高，沖擊層更深和殘余應(yīng)力消除效果更好的特征。特別是對(duì)于高硬度(>55HRC)材料，傳統(tǒng)的超聲沖擊處理效果較差，而采用本發(fā)明提供的方法，也可以獲得較好的處理效果。具體而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017]①尤其適用于硬度較高材料的表面處理。硬度高于55HRC的材料，由于塑性變形能力差，傳統(tǒng)超聲沖擊處理效果不理想。而感應(yīng)加熱使得材料硬度下降，塑性變形能力增強(qiáng)，超聲沖擊效果明顯改善；
[0018]②超聲沖擊層更深。感應(yīng)加熱的作用使得材料塑性變形能力增強(qiáng)，在相同的超聲沖擊能量下，沖擊層更深；
[0019]③工件表面殘余拉應(yīng)力釋放更徹底，應(yīng)力狀態(tài)顯著改善。高溫下材料塑性增強(qiáng)，在超聲沖擊作用下殘余拉應(yīng)力徹底釋放，甚至可以在工件表面較深的范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力層；沖擊層由于晶粒細(xì)化，力學(xué)性能顯著改善，疲勞抗力顯著提高；
[0020]④加工效率高。由于感應(yīng)加熱的輔助作用，超聲沖擊掃描速率是傳統(tǒng)超聲沖擊的2?4倍；
[0021]⑤自動(dòng)化程度高，能顯著降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。超聲發(fā)生器和感應(yīng)加熱線圈通過(guò)數(shù)控機(jī)床或者機(jī)械手驅(qū)動(dòng)，操作人員只需要根據(jù)被加工工件的形狀，輸入相應(yīng)的指令代碼即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度較低。
[0022]本發(fā)明裝置通用性好，可用于各種形狀工件表面的沖擊處理。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是感應(yīng)輔助超聲沖擊處理平板焊縫示意圖；
[0024]圖2是感應(yīng)輔助超聲沖擊處理管材焊縫示意圖；
[0025]圖3是感應(yīng)輔助超聲沖擊處理平板堆焊層示意圖；
[0026]圖4是感應(yīng)輔助超聲沖擊處理軋輥堆焊層示意圖；
[0027]圖中，1、溫度控制器，2、感應(yīng)電源，3、超聲發(fā)生器，4、變幅桿，5、沖擊針，6、待處理工件，7a、機(jī)械手，7b、數(shù)控機(jī)床，8、紅外測(cè)溫儀，9、感應(yīng)線圈，10、焊縫或堆焊層
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]本發(fā)明實(shí)例方法采用感應(yīng)線圈對(duì)待處理金屬材料表面進(jìn)行加熱，并使加熱溫度保持在待處理金屬材料的再結(jié)晶溫度以下，在提高其塑性變形能力的同時(shí)，防止回復(fù)和再結(jié)晶；在感應(yīng)加熱的同時(shí)，采用超聲沖擊針同步對(duì)材料表面進(jìn)行高頻撞擊，一方面消除材料表面殘余拉應(yīng)力，并預(yù)置一定幅值的壓應(yīng)力，改善其應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，通過(guò)塑性變形，細(xì)化其表面組織，提高其力學(xué)性能。
[0030]上述方法可以采用下述步驟具體實(shí)現(xiàn):
[0031]第I步調(diào)整感應(yīng)線圈的位置，使其加熱面與待處理材料表面平行(工件表面平面時(shí)，感應(yīng)加熱面為與之平行的平面；工件表面為曲面時(shí)，感應(yīng)加熱面為與之平行的曲面)，二者之間的間隙為3mm?1mm ；
[0032]第2步超聲沖擊針與待處理材料表面在感應(yīng)加熱區(qū)域內(nèi)接觸；
[0033]第3步驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈和超聲沖擊針在待沖擊處理材料表面同步掃描，實(shí)現(xiàn)其表面不同位置的處理，感應(yīng)加熱溫度為200°C?800°C，超聲功率0.5?2.0Kff,頻率15?40KHz，超聲波振幅20?100 μ m。
[0034]如圖1所示，實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括溫度控制器1、感應(yīng)電源2、超聲發(fā)生器3、變幅桿4、超聲沖擊針5、運(yùn)動(dòng)控制單元7、紅外測(cè)溫儀8和感應(yīng)線圈9。
[0035]感應(yīng)線圈9通過(guò)電纜與感應(yīng)電源2連接，超聲沖擊針5通過(guò)變幅桿4安裝在超聲發(fā)生器3上，感應(yīng)線圈9和超聲發(fā)生器3均安裝在運(yùn)動(dòng)控制單元上，由運(yùn)動(dòng)控制單元帶動(dòng)其同步移動(dòng)；紅外測(cè)溫儀8與溫度控制器I和感應(yīng)電源2連接；
[0036]運(yùn)動(dòng)控制單元可以采用機(jī)械手7a或數(shù)控機(jī)床7b等機(jī)構(gòu)，感應(yīng)線圈9和超聲發(fā)生器3可以固定在機(jī)械手7a或數(shù)控機(jī)床7b的主軸上。
[0037]工作時(shí)，將待處理工件6固定，并使感應(yīng)線圈9的加熱面和待處理工件6的加工表面平行；紅外測(cè)溫儀8瞄準(zhǔn)待處理工件6上的感應(yīng)加熱區(qū)域以對(duì)其溫度進(jìn)行檢測(cè)，紅外測(cè)溫儀8的檢測(cè)信號(hào)輸入溫度控制器1，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，溫度控制器