電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法
2023-06-14 18:27:16 1
電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法
【專利摘要】一種電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法，包括步驟：1)在支撐裝置上裝夾金屬工件；2)施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應和熱效應使所述加工區表層的塑性變形抗力適當減小；同時，由支撐裝置帶動所述金屬工件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓裝置對所述加工區的表層進行超聲衝擊滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致位錯密度增大晶粒細化形成強化層。本方法以電致塑性、超聲衝擊及滾壓作用相結合實現金屬材料表面強化處理，與單純的超聲滾壓加工相比，本方法可使強化層作用厚度進一步加深，工件最表面硬度進一步提高。特別是對於本身硬度很高或加工硬化嚴重的一些難加工金屬材料來說，用本方法對其表面強化處理，可以顯著提高強化層質量，大大提高加工效率，降低生產成本。
【專利說明】電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於金屬加工領域，具體涉及一種電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料 表面強化處理的方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國國民經濟高速發展，在航空航天、工程機械、醫療器械、海洋工程和船 舶製造等領域取得了巨大成就。但同時，這些行業也對服役機械零部件的可靠性提出了更 高的要求，這就要求機械零部件具有高的表面硬度、高耐磨性、高抗疲勞性、高表面光潔度 和良好的耐蝕性等綜合性能，這是當下我國機械製造行業所面臨的主要課題。
[0003] 超聲滾壓加工是近年興起的一種新的金屬材料表面強化加工方法。其基本原理是 利用硬度很高的光滑滾珠滾壓金屬材料表面，同時對滾珠施加沿工件表面法線方向的超聲 振動，將超聲衝擊能量和滾壓作用相結合，在金屬材料表面產生強烈的塑性變形和加工硬 化而形成表面強化層，形成表面壓應力，並大大降低材料表面粗糙度。該方法可獲得高硬 度、高耐磨性、高抗疲勞性、高表面光潔度和抗壓應力腐蝕的金屬表面。
[0004] 金屬材料表面超聲滾壓加工的作用機理是使金屬材料表面受到衝擠而發生劇烈 塑性變形，導致工件表層的位錯密度增大，表層晶粒細化，表層金屬發生強烈的加工硬化而 形成表面強化層。表面強化層具有很高的硬度，其繼續發生塑性變形的能力相比強化前大 大下降。超聲滾壓加工如同在金屬材料表面形成了一個高硬度的保護殼，進而阻止工件次 表層金屬塑性變形的進一步發生，其結果就是加工後的工件表面硬化層很淺。另一方面，當 位錯增殖主導的晶粒細化與晶界遷移主導的晶粒粗化達到平衡狀態，進一步的塑性變形已 不能使晶粒更加細化，材料的微觀結構趨於穩態達到極限晶粒尺寸。此時，強化層最表層的 硬度也會相應達到一定的極限，無法進一步提高。特別對於一些本身硬度很高或加工硬化 嚴重的難加工金屬材料來說，其表面往往是高硬度低塑性狀態，用單純的超聲滾壓加工方 法使其表面產生強烈的塑性變形，進而在其表層獲得較大深度且表面硬度很高的表面強化 層是非常困難的。因此，如何突破劇烈塑性形變的晶粒細化極限和高硬度低塑性材料本身 的屬性限制，獲得更高的表面硬度和更深的表面強化層是當前金屬材料表面加工技術的主 要研究方向。
【發明內容】
[0005] 鑑於現有金屬材料表面超聲滾壓加工技術中存在的問題，本發明提供一種電致塑 性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理的方法。其採用電致塑性、超聲衝擊及滾壓 作用相結合實現金屬材料表面強化處理。脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應和熱效應能 顯著降低金屬工件表層的塑性變形抗力，減弱工件表層的加工硬化，使加工形變層發生動 態回復或動態再結晶，促使工件表層晶粒進一步細化，從而進一步提高工件的表面硬度。同 時，由於表層加工硬化程度減小，工件次表層塑性變形能力增強，晶粒細化層在超聲滾壓作 用下向表層內部更深處擴展，使強化層作用厚度進一步加深。
[0006] 本發明提供的電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法，包括如 下步驟： 1) .在支撐裝置上裝夾金屬工件； 2) .施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應 和熱效應使所述加工區表層的塑性變形抗力適當減小；同時，由支撐裝置帶動所述金屬工 件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓裝置對所述加工區的表層進行超聲衝擊 滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致位錯密度增大晶粒細化形成強化層。
[0007] 在步驟2)結束後，進一步可增加步驟3)，施加脈衝電流到所述金屬工件的加工 區，對所述加工區的表層進行電致塑性處理；同時，由所述支撐裝置帶動所述金屬工件旋 轉，使所述超聲滾壓裝置沿所述金屬工件軸向移動，對所述加工區的表層進行超聲衝擊滾 壓。
[0008] 步驟2)、步驟3)中的脈衝電流由一個脈衝電源提供，步驟3)中所述的脈衝電流的 平均電流密度為步驟2)中所述的脈衝電流的平均電流密度的10%_50%。
[0009] 步驟2)中所述脈衝電流的參數為：頻率200-10000HZ，脈寬40-100μ s，平均電流 密度1-10Α · mm 2,峰值電流密度2-100 A · mm2 ;步驟3)中所述脈衝電流的參數為：頻率 50-lOOOHz，脈寬 20-80μ s，平均電流密度 0. 1-5 A · rnnT2,峰值電流密度 0. 5-50 A · rnnT2。
[0010] 所述支撐裝置選擇車床、銑床等工具機。由所述超聲滾壓裝置向所述金屬工件的加 工區提供一定頻率和振幅的超聲振動，所述超聲滾壓裝置具有超聲滾壓頭(輸出構件)，優 選實施例中，所述超聲滾壓頭的曲率半徑為4-50mm，硬度大於60HRC。採用車床作為支撐 裝置時，在車床的刀架上安裝所述超聲滾壓裝置，其超聲滾壓頭直接與所述金屬工件的加 工區接觸。所述金屬工件的旋轉線速度為ΙΟ-ΙδΟπ^π?ιΓ 1，所述超聲滾壓裝置的進給量為 0· 01-1. 00mm · f1，預緊壓力為100-2000Ν，超聲振動頻率為15000-60000ΗΖ，超聲振動振幅 為 5-50 μ m〇
[0011] 根據加工要求，步驟3)中所述超聲衝擊滾壓的次數可以為1-15次；步驟2)中所 述超聲衝擊滾壓的次數也可以為1-15次。
[0012] 一種電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法，包括如下步驟： 1) .在支撐裝置上裝夾金屬工件； 2) .施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應 和熱效應使所述加工區的表層的塑性變形抗力適當減小；同時，由支撐裝置帶動所述金屬 工件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓裝置對所述加工區的表層進行超聲衝 擊滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致位錯密度增大晶粒細化形成強化層；其 中，所述脈衝電流的參數為：頻率50-lOOOHz，脈寬20-80μ s，平均電流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值電流密度〇. 5-50 A · mm 2。
[0013] 常規超聲滾壓加工工藝中超聲滾壓在被加工金屬工件表層產生強烈塑性變形，形 成硬度很高的表面強化層，從而阻礙工件次表層塑性變形的發生。本方法以電致塑性、超聲 衝擊及滾壓作用相結合實現金屬材料表面強化處理。其中施加的脈衝電流可對金屬工件表 面強化層的組織起到調節作用，電致塑性效應能顯著降低金屬工件表層的塑性變形抗力， 減弱工件表層的加工硬化，使加工形變層發生動態回復或動態再結晶，促使工件表層晶粒 進一步細化，從而進一步提高工件的表面硬度。同時，由於表層加工硬化程度減小，工件次 表層塑性變形能力增強，晶粒細化層在超聲滾壓作用下向表層內部更深處擴展，使強化層 作用厚度進一步加深。
[0014] 本發明脈衝電流參數的選擇方法具體為：首先，步驟2)中在首次超聲滾壓的同時 對金屬工件加工區施加較大的脈衝電流。該脈衝電流具有的電致塑性效應、趨膚效應和熱 效應可適當減弱表面強化層的加工硬化程度，使工件表層加工區的硬度保持在適宜超聲滾 壓加工的作用範圍內。由此可減弱表面強化層因硬度過高而對超聲滾壓加工產生的削弱作 用，提高金屬工件次表層的塑性變形能力，從而大大加深超聲滾壓的作用深度。其次，步驟 2)超聲滾壓加工結束後，執行步驟3)操作改變脈衝電流參數，對工金屬工件加工區施加較 小的脈衝電流，並對工件表面進行二次超聲滾壓加工。由於此時的脈衝電流較小，不足以減 弱表面強化層的加工硬化。因此，二次超聲滾壓加工產生的強烈塑性變形可使首次超聲滾 壓加工過程中因脈衝電流作用而降低的工件最表層硬度升高，恢復到單純滾壓加工的硬化 水平。但由於金屬工件最表層的塑性變形程度在整個強化層中最為劇烈，因此較小的脈衝 電流就可以促使工件最表層發生動態回復或再結晶，由此可以使工件最表層硬度再次升高 並減小強化層的內部缺陷。最終，相比於單純的超聲滾壓加工，應用本發明方法可得到表層 硬度更高，硬化深度更大，抗疲勞性能更好的表面強化層。其中，首次超聲滾壓加工的次數 和二次超聲滾壓加工的次數可以分別為一次或多次。上述首次超聲滾壓加工和二次滾壓加 工也可作為獨立的加工方法配合相應參數的脈衝電流單獨使用，從而分別得到相比於單純 超聲滾壓加工厚度進一步加深的強化層和最表面硬度進一步提高的強化層。特別對於本身 硬度很高或加工硬化嚴重的一些難加工金屬材料來說，用本發明方法對其進行表面強化加 工處理，可以顯著提高強化層質量，大大提高加工效率，降低生產成本。
[0015] 本發明與單純的金屬材料表面超聲滾壓加工相比，具有如下顯著效果： 1、加工後的金屬工件表硬度更高，表面強化層深度更大，工件耐磨性、抗應力腐蝕性能 和疲勞壽命得到進一步提高；本發明方法與單純超聲滾壓加工方法對304不鏽圓鋼工件處 理結果比較，距表面深度0-1200 μ m，維氏硬度平均提高達11%。
[0016] 2、對於一些難加工材料，特別是本身硬度很高或加工硬化嚴重的難加工金屬材料 來說，用該方法對其進行表面強化加工處理，可以得到表面硬度很高且作用深度很大的表 面強化層，可大大提高加工效率，降低生產成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為實現本發明電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理工藝的 系統結構示意圖（11-超聲滾壓裝置，12-超聲滾壓頭，21-夾持端，22-夾持端，3-脈衝電 源,4-金屬棒材）； 圖2為採用單純超聲振動滾壓和本發明工藝處理304不鏽圓鋼橫截面金相照片；其中， 圖2-a為單純超聲振動滾壓處理304不鏽圓鋼橫截面金相照片；圖2-b為本發明工藝處理 304不鏽圓鋼橫截面金相照片； 圖3為304不鏽圓鋼橫截面沿表層厚度方向的硬度變化對比圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和實施方式對本發明做進一步說明。
[0019] 本發明一種實施方式過程如下： 步驟1)，參照系統示意圖1，首先將待加工金屬棒材4置於支撐裝置（圖中未示出，如 車床）的夾持端21與夾持端22之間，夾持端21、22與支撐裝置絕緣；將脈衝電源3的兩輸 出端通過電刷（圖中未示出）分別與金屬棒材4的兩端接觸。
[0020] 步驟2)，啟動支撐裝置帶動金屬棒材4以一定速度Vi旋轉；打開脈衝電源3,對金 屬棒材4加工區施加較大脈衝電流；接著啟動超聲滾壓裝置11，使超聲滾壓頭12以一定的 頻率f和振幅a沿垂直於金屬棒材4表面法線方向振動，移動超聲滾壓裝置靠近金屬棒材 4,使超聲滾壓頭12以一定的壓力F壓緊在金屬棒材4的表面；以速度V 2移動超聲滾壓裝 置11，使其沿金屬棒材4軸向移動，進行金屬棒材4表面的首次電致塑性與超聲振動滾壓耦 合加工(下稱：首次加工)。
[0021] 步驟3)，在步驟2)操作結束後，改變脈衝電源3的輸出脈衝電流參數，對加工金屬 棒材4加工區施加較小的脈衝電流，並以步驟2)方法對金屬棒材4表面進行二次電致塑性 與超聲振動滾壓耦合加工(下稱：二次加工)。二次加工結束後，移動超聲滾壓裝置11，使超 聲滾壓頭12離開金屬棒材4表面，關閉支撐裝置、超聲滾壓裝置11和脈衝電源3,從支撐裝 置上取下加工好的金屬棒材4。
[0022] 步驟3)中所述的較小脈衝電流的平均電流密度為步驟2)中所述的較大脈衝 電流的平均電流密度的10%_50%。具體實施中步驟2)中所述脈衝電流的參數為：頻率 200-10000HZ，脈寬 40-100μ s，平均電流密度 1-10A · rnnT2,峰值電流密度 2-100 A · rnnT2 ; 步驟3)中所述脈衝電流的參數為：頻率50-1000Hz，脈寬20-80 μ s，平均電流密度0. 1-5 A · rnnT2,峰值電流密度 〇· 5-50 A · rnnT2。
[0023] 支撐裝置可以為車床、銑床或其他工作平臺。由超聲滾壓裝置11向金屬工件4 的加工區提供一定頻率和振幅的超聲振動，超聲滾壓頭12是超聲滾壓裝置的輸出構件， 優選實施例中，超聲滾壓頭12的曲率半徑為4-50mm，硬度大於60HRC。採用車床作為支 撐裝置時，具有超聲滾壓頭12的超聲滾壓裝置11可安裝在車床的刀架上。所述金屬工 件的旋轉線速度為10-150m · mirT1，所述超聲滾壓頭12 (或超聲滾壓裝置11)的進給量為 0· 01-1. 00mm · f1，預緊壓力為100-2000N，超聲振動頻率為15000-60000HZ，超聲振動振幅 為5-50 μ m。首次加工的次數和二次加工的次數可以為1-15次。
[0024] 其中，上述首次加工和二次加工也可作為獨立的加工方法配合相應參數的脈衝電 流單獨使用。根據支撐裝置的不同，也可以選擇棒材以外的板狀或其他外形的金屬工件。
[0025] 下面參照圖1，以在由現有車床改裝而成的，配備脈衝電源3和具有超聲滾壓頭12 的超聲滾壓裝置11，組成的電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理的實驗平 臺上進行的具體實驗為例，對採用上述實施方式、實驗效果及優點做進一步詳細說明。
[0026] 1、對Φ 13. 4X 150mm規格、原始硬度為200HV0. 1的304不鏽圓鋼金屬工件4進行 電致塑性與超聲滾壓表面強化處理：工件轉速534r · mirT1 (線速度V1=22. 5m · mirT1)，車床 進給量〇. 1mm (進給速度V2=53. 4mm ?mirT1);超聲滾壓裝置11工作頻率30000Hz，振幅 8 μ m，超聲振動滾動壓頭12頂緊壓力F=700N ;首次加工中脈衝電流參數為頻率600Hz，平均 電流密度〇. 32A ·πιπΓ2,峰值電流密度2. 51A ·πιπΓ2,往復加工3次；二次加工中脈衝電流參數 為頻率600Hz，平均電流密度2. 12Α · mm 2,峰值電流密度15. 21Α · mm 2,往復加工3次。同 時，採用相同的超聲滾壓參數對相同規格的304不鏽圓鋼金屬工件往復滾壓加工6次，相應 304不鏽圓鋼作為對比樣品加以分析。
[0027] 加工後的工件用線切割沿徑向斷面切片，處理後用金相顯微鏡觀察其顯微組織； 用維氏顯微硬度計測量樣品徑向沿表層厚度方向的硬度變化，所加載荷l〇〇g，保荷時間為 15s。處理後的金相照片和相應的樣品徑向沿表層厚度方向的硬度變化如圖3所示，其中圖 2-a為單純超聲振動滾壓處理304不鏽圓鋼橫截面金相照片，圖2-b為電致塑性與超聲滾 壓耦合處理304不鏽圓鋼橫截面金相照片。圖3為304不鏽圓鋼橫截面沿表層厚度方向的 硬度變化對比圖。由圖2-b、2-a、3可以看出，相比於單純的超聲滾壓加工處理，304不鏽 鋼工件經電致塑性與超聲滾壓耦合處理後的表面強化層組織塑性變形更加劇烈，表面硬度 更高，硬化層深度大大加深。本方法與單純超聲滾壓加工方法對304不鏽圓鋼工件處理結 果比較，距表面深度0-400 μ m，維氏硬度平均提高11. 6%，維氏硬度最大提高12. 3%(最表面 0 μ m處);距表面深度400-1200 μ m，維氏硬度平均提高10. 4% ;距表面深度0-1200 μ m，維氏 硬度平均提高11%。
[0028] 其他實施方式中，可以取消上述步驟3)，直接在步驟2)中選擇平均電流密度較小 的一組脈衝電流與超聲滾壓結合實施金屬材料表面強化處理。這種實施方式包括如下步 驟： 1) .在支撐裝置上裝夾金屬工件； 2) .施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應 和熱效應使所述加工區的表層的塑性變形抗力適當減小；同時，由支撐裝置帶動所述金屬 工件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓裝置對所述加工區的表層進行超聲衝 擊滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致位錯密度增大晶粒細化形成強化層；其 中，所述脈衝電流的參數為：頻率50-lOOOHz，脈寬20-80μ s，平均電流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值電流密度〇. 5-50 A · mm 2。
[0029] 以上通過具體實施例對本發明做了詳細的說明，這些具體的描述不能認為本發明 僅僅限於這些實施例的內容。本領域技術人員根據本發明構思、這些描述並結合本領域公 知常識做出的任何改進、等同替代方案，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法，其特徵在於，包括 如下步驟： 1) .在支撐裝置上裝夾金屬工件； 2) .施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效應 和熱效應使所述加工區表層的塑性變形抗力適當減小； 同時，由支撐裝置帶動所述金屬工件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓 裝置對所述加工區的表層進行超聲衝擊滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致 位錯密度增大晶粒細化形成強化層。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟2)中施加到所述金屬工件加工區的 脈衝電流參數為：頻率200-10000HZ，脈寬40-100 μ s，平均電流密度1-10A ·πιπι-2,峰值電流 密度 2-100 A · mm 2。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟3)，在步驟2)結束後，進 一步施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，對所述加工區的表層進行電致塑性處理；同 時，由所述支撐裝置帶動所述金屬工件旋轉，使所述超聲滾壓裝置沿所述金屬工件軸向移 動，對所述加工區的表層進行超聲衝擊滾壓。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟3)中所述的脈衝電流的平均電流密 度為步驟2)中所述的脈衝電流的平均電流密度的10%-50%。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟2)中所述脈衝電流的參數為：頻率 200-10000HZ，脈寬 40-100μ s，平均電流密度 1-10A · mm2,峰值電流密度 2-100 A · rnnT2 ; 步驟3)中所述脈衝電流的參數為：頻率50-1000Hz，脈寬20-80 μ s，平均電流密度0. 1-5 A · rnnT2,峰值電流密度 〇· 5-50 A · rnnT2。
6. 根據權利要求1或3或5所述的方法，其特徵在於，所述金屬工件的旋轉線速度為 10-150m · mirT1，所述超聲滾壓裝置的進給量為0· 01-1. 00mm · r'預緊壓力為100-2000N， 超聲振動頻率為15000-60000HZ，超聲振動振幅為5-50μπι。
7. 根據權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，所述支撐裝置為車床或銑床；所 述車床的刀架上安裝具有超聲滾壓頭的所述超聲滾壓裝置，所述超聲滾壓頭的曲率半徑 4-50mm，硬度大於 60HRC。
8. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟3)中所述超聲衝擊滾壓的次數為 1-15 次。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟2)中所述超聲衝擊滾壓的次數為 1-15 次。
10. -種電致塑性與超聲滾壓耦合進行金屬材料表面強化處理方法，其特徵在於，包括 如下步驟： 1) .在支撐裝置上裝夾金屬工件； 2) .施加脈衝電流到所述金屬工件的加工區，藉助脈衝電流的電致塑性效應、趨膚效 應和熱效應使所述加工區的表層的塑性變形抗力適當減小；同時，由支撐裝置帶動所述金 屬工件旋轉，通過沿所述金屬工件軸向移動的超聲滾壓裝置對所述加工區表層進行超聲衝 擊滾壓，使所述加工區表層產生劇烈塑性變形，導致位錯密度增大晶粒細化形成強化層；其 中，所述脈衝電流的參數為：頻率50-lOOOHz，脈寬20-80μ s，平均電流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值電流密度0. 5-50 A · mm 2。
【文檔編號】C21D11/00GK104195322SQ201410442263
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】唐國翌, 王海波, 宋國林, 陳龍 申請人:清華大學深圳研究生院