專利名稱：：一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬材料的表面處理設(shè)備，特別涉及一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備。
背景技術(shù)：
：金屬材料的表面納米化有各種各樣的方法。利用嚴(yán)重塑性變形方法可使金屬材料的微米晶粒細(xì)化形成超細(xì)晶或納米晶，這類方法包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、表面機(jī)械研磨(SMAT)和高能球磨(HEBM)等。其中表面機(jī)械研磨和高能球磨屬于高應(yīng)變率"&〉103/s)的塑性變形方法。表面機(jī)械研磨(SMAT)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新的表面納米化技術(shù)。研究結(jié)果表明，在SMAT中由于受彈丸的高速、多方位重復(fù)沖擊，材料表層的粗晶組織通過產(chǎn)生強(qiáng)烈的高應(yīng)變率塑性變形而逐漸細(xì)化至納米量級(jí)(10—30nm)。大量的TEM觀察結(jié)果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位錯(cuò)、界面(晶界)等晶體缺陷，從而使晶粒發(fā)生破碎，其破碎程度取決于應(yīng)變和應(yīng)變率的大小。隨著材料表層深度的減小，應(yīng)變和應(yīng)變率逐漸增加，從基體到表面可依次產(chǎn)生形變粗晶層、細(xì)化結(jié)構(gòu)層和納米結(jié)構(gòu)層(厚度為10—50um)。在形變粗晶層中，材料的粗晶組織通常可產(chǎn)生位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶等缺陷，以此來協(xié)調(diào)塑性應(yīng)變；在細(xì)化結(jié)構(gòu)層中，應(yīng)變和應(yīng)變率有所增加，位錯(cuò)(或?qū)\晶)的數(shù)量增多，相互作用更加頻繁，因而可形成小尺寸的位錯(cuò)胞或?qū)\晶，同時(shí)其界面(晶界)的取向差也逐漸增大；而在納米結(jié)構(gòu)層中，應(yīng)變和應(yīng)變率急劇增加，位錯(cuò)胞尺寸或?qū)\晶尺寸可進(jìn)一步減小至納米量級(jí)，通過位錯(cuò)湮滅和重組、亞晶界的演變或?qū)\晶的重復(fù)交割可最終形成取向呈隨機(jī)分布的納米晶。此外，材料在SMAT中的微觀組織演化還受到變形金屬層錯(cuò)能和晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響。例如，bcc結(jié)構(gòu)的高層錯(cuò)能金屬Fe,由于其變形受位錯(cuò)滑移的控制，隨著材料表層深度的減小，在各類變形層中可依次形成位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)、亞晶及納米晶等一系列微觀組織。而具有fcc結(jié)構(gòu)的AISI304不銹鋼，由于其低層錯(cuò)能性質(zhì)限制了不全位錯(cuò)的交滑移，使得位錯(cuò)只能在各自的滑移面上運(yùn)動(dòng)，因而在形變粗晶層中可形成Ull)平面的位錯(cuò)列、位錯(cuò)網(wǎng)格和層錯(cuò)；隨著應(yīng)變和應(yīng)變率的增加，機(jī)械孿生開動(dòng)，在細(xì)化結(jié)構(gòu)層中可形成多系孿晶交割，并在孿晶交割處誘發(fā)馬氏體相變。對(duì)于hcp結(jié)構(gòu)的ci-Ti、Co、Mg合金等材料，在形變粗晶層中以機(jī)械孿生變形為主，隨著應(yīng)變和應(yīng)變率的增加，才逐漸產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，同時(shí)伴有層錯(cuò)?？梢?，SMAT中金屬材料變形的微觀機(jī)制是應(yīng)變、應(yīng)變率、晶體結(jié)構(gòu)、層錯(cuò)能等內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。除發(fā)生大晶粒破碎外，TEM的觀察結(jié)果還表明，a-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出現(xiàn)了晶界結(jié)構(gòu)完整，"潔凈"、無應(yīng)變的等軸狀納米晶，研究人員認(rèn)為這是發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。而對(duì)于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，也有人持不同的看法。例如，Zhu等人認(rèn)為是由于亞晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)再結(jié)晶)所致。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生表明在SMAT中存在由高應(yīng)變、高應(yīng)變率塑性變形所導(dǎo)致的絕熱溫升，并且它對(duì)納米晶組織的演化也產(chǎn)生了作用。在探求SMAT中金屬材料的表面納米化機(jī)理時(shí)，這一問題不可忽視。值得注意的是，由于在SMAT中彈丸對(duì)樣品表面施加的多方位重復(fù)載荷可促進(jìn)晶體的多系滑移和多系孿生變形，從而大大提高了材料的納米化程度。高能球磨(HEBM)技術(shù)是1970年代由Benjamin等人提出的。它以簡(jiǎn)單、低成本和對(duì)材料的廣泛適用性等優(yōu)點(diǎn)，在納米晶材料的研究與制備方面發(fā)揮了重要作用。在HE麗中，金屬粉末受研磨球、研磨罐的頻繁碰撞而產(chǎn)生變形、冷焊、斷裂等過程。原始粗晶在高應(yīng)變率"&〉103/s)、多方向的重復(fù)載荷下可最終形成晶粒取向呈隨機(jī)分布的納米晶。利用X射線衍射分析(XRD)測(cè)量晶粒尺寸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下變化在球磨初期，晶粒細(xì)化速度較快，晶粒尺寸迅速減小到某一值；進(jìn)一步球磨，晶粒細(xì)化速度明顯減慢，晶粒尺寸緩慢減小至某一穩(wěn)態(tài)的晶粒尺寸；繼續(xù)球磨，晶粒尺寸幾乎不發(fā)生變化。通常，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的晶粒尺寸在5—30nm范圍。此外，在2007年Mufioz等人將球磨形成的納米晶Fe粉放入異丙醇液體中進(jìn)行超聲分散，隨后利用磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的共同作用還從中采集到了更小尺寸的納米顆粒(2—4rnn)。以往對(duì)高能球磨中金屬納米晶的形成機(jī)制主要存在兩種觀點(diǎn)，即大晶粒的破碎機(jī)制和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。由Fecht等人提出的大晶粒破碎機(jī)制主要包括三個(gè)階段l)在變形初期，通過產(chǎn)生局部變形形成具有高密度位錯(cuò)的剪切帶；2)在一定的應(yīng)變條件下，位錯(cuò)經(jīng)湮滅和重組形成納米尺寸(20—30nm)的亞晶，亞晶隨進(jìn)一步變形延續(xù)至整個(gè)樣品；3)通過晶界滑動(dòng)等可能的機(jī)制形成隨機(jī)取向的納米晶。Liu等人對(duì)球磨Fe和Fe-0。89C的TEM研究結(jié)果也符合這一機(jī)制的特征，所不同的是沒有觀察到剪切帶組織。而Zhang等人通過對(duì)球磨形成的納米晶Zn進(jìn)行TEM觀察與研究，提出了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。此外，Ma皿a等人的硏究結(jié)果表明，在金屬Zr和Ti的高能球磨過程中，除晶粒發(fā)生細(xì)化形成納米晶外，還分別發(fā)生了hcp—fcc同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。對(duì)球磨粉末的DSC測(cè)量進(jìn)一步表明，晶格位錯(cuò)彈性能占儲(chǔ)存焓的比例很小，大部分儲(chǔ)存焓來自于晶界焓的釋放。為此有學(xué)者認(rèn)為，隨著晶粒尺寸的減小，晶界的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，其塑性變形機(jī)制也由晶內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)逐漸向晶界處轉(zhuǎn)變，包括雜質(zhì)堆積、晶界滑動(dòng)以及晶界軟化等機(jī)制。目前對(duì)于晶界處的塑性變形機(jī)制尚不十分清楚。雖然變形材料的形態(tài)各異，外加載荷方式也有所不同，但經(jīng)高應(yīng)變率"&〉103/s)塑性變形后均實(shí)現(xiàn)了金屬材料的納米化(5—30nm)。而通常在ECAP、HPT等準(zhǔn)靜態(tài)塑性變形中形成的晶粒尺寸只能達(dá)到100—500皿。與ECAP等準(zhǔn)靜態(tài)變形相比，金屬材料在高應(yīng)變率條件下不僅受應(yīng)變強(qiáng)化，還受到應(yīng)變率強(qiáng)化的作用，因而可產(chǎn)生更高的流變應(yīng)力，形成更小尺寸的晶粒。此外，經(jīng)高應(yīng)變率變形產(chǎn)生的絕熱溫升使得局部組織在變形中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、相變等特殊現(xiàn)象，這更增加了變形組織演化的復(fù)雜性。對(duì)于金屬材料在高應(yīng)變率條件下的晶粒細(xì)化與納米晶的形成，借助于TEM、XRD、DSC等實(shí)驗(yàn)手段，目前已經(jīng)取得階段性的成果。利用TEM觀察已較好地證實(shí)了晶粒在細(xì)化過程中形成的位錯(cuò)列、位錯(cuò)墻、位錯(cuò)纏結(jié)等組態(tài)以及納米尺寸的亞晶、孿晶和再結(jié)晶晶粒的存在；選區(qū)電子衍射(SAED)和HREM還進(jìn)一步表明了晶界取向差的變化和納米晶的狀態(tài)；利用XRD可表征材料的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變的變化。盡管如此，到目前為止獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠豐富，人們對(duì)于高應(yīng)變率下納米晶形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)也還有限。如上所述，現(xiàn)有的表面納米化研究包括高能噴丸表層納米化(HSP)、表面機(jī)械研磨處理(SMAT)技術(shù)研究，該方法是用超聲波震蕩器激發(fā)起高能球使其以一定速度撞擊于材料表面，使其表面不斷產(chǎn)生塑性變形，最終實(shí)現(xiàn)表層納米化。該方法能夠形成表層納米層，但是打擊面粗糙，受到噴丸直徑與速度的影響大，噴丸沖擊面積不均勻，打擊面的受沖擊頻率與密度只能是統(tǒng)計(jì)值。因此，提供一種大幅度提高金屬合金疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金強(qiáng)韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備就成為該
技術(shù)領(lǐng)域：
急需要解決的技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大幅度提高金屬合金疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金強(qiáng)韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，包括超聲波發(fā)生裝置，通過導(dǎo)線與之相連接的超聲波工作槍；其特征在于所述超聲波工作槍包括沖頭，波導(dǎo)管，套筒，外殼，超聲波轉(zhuǎn)換器，壓力彈簧，制冷用壓縮空氣導(dǎo)管；所述沖頭和所述波導(dǎo)管通過連接螺母與所述套筒相連接；所述波導(dǎo)管通過所述套筒與所述超聲波轉(zhuǎn)換器相連接，所述套筒與所述壓力彈簧相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述壓力彈簧位于所述套筒內(nèi)；所述套筒外面設(shè)有外殼；所述套筒另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管相連接。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述超聲波工作槍的外殼下端設(shè)有固定板。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述超聲波轉(zhuǎn)換器包括磁致伸縮換能器和與之相連接的壓電換能器。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述沖頭為硬質(zhì)合金并且固定在固定架上，所述固定架再與所述波導(dǎo)管相連接。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述沖頭為球面或關(guān)圓柱狀。有益效果本發(fā)明的用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備采用磁致轉(zhuǎn)換裝置，頻率范圍為l0_60KHZ。轉(zhuǎn)換功率的能力大，且持久性強(qiáng)，并且穩(wěn)定性好，可持續(xù)工作幾十小時(shí)不改變功率。下面通過附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。圖1是本發(fā)明超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備中超聲波工作槍結(jié)構(gòu)圖。圖2是7B04鋁合金超聲波處理后的表面納米層的形貌圖。圖3是超聲波表面處理后，7B04材料表面形成納米層之下為一層較厚的變形層的形貌圖。圖4a和圖4b分別為超聲波處理前和超聲波處理后的腐蝕情況對(duì)比圖。圖5a和圖5b分別為超聲波處理前和超聲波處理后的耐磨性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1如圖1所示，是本發(fā)明超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備中超聲波工作槍結(jié)構(gòu)圖。圖中l(wèi)為沖頭，2為波導(dǎo)管，3為套筒，4為外殼，5為超聲波轉(zhuǎn)換器，6為壓力彈簧，7為制冷用壓縮空氣導(dǎo)管，8為導(dǎo)線接口，9為固定板，10為連接螺母。所述沖頭1和所述波導(dǎo)管2通過連接螺母1O固定在所述套筒上。所述外殼4為空心的圓筒，并同時(shí)也可以作為外罩。所述套筒3與所述壓力彈簧6相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器5與所述壓力彈簧5位于所述套筒3內(nèi)；所述套筒3在壓力彈簧6的作用下在外殼4的內(nèi)部沿軸向運(yùn)動(dòng)。所述套筒3外面設(shè)有外殼4;所述套筒3另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管7相連接。所述超聲波工作槍整體通過固定板9可以固定在機(jī)床上。所述沖頭為硬質(zhì)合金，其工作端為耐磨球，其輸出端圓弧直徑為lO毫米；沖頭輸出端超聲振幅為10毫米。應(yīng)用實(shí)施例對(duì)直徑為80毫米的7B04高強(qiáng)高韌鋁合金進(jìn)行表面納米化處理:機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為400r/min;沖頭進(jìn)給量為0.25mm/r;加工速度為120mm/min;加工往返兩次；選用乳化冷卻液作為潤(rùn)滑劑；納米沖頭選用耐磨球，其輸出端圓弧直徑為l2毫米；沖頭輸出端超聲振幅為l4毫米。用JE0L100—CX-I透射電子顯微鏡觀測(cè)樣品表面的微觀組織。得到的7B04鋁合金超聲波處理后表面納米層形貌如圖2所示。如圖2所示，超聲波表面處理后，材料表面形成納米層，表層組織得到均一化，表層晶粒平均尺寸為20nm。從圖中可以看出超聲波表面處理后晶體尺寸達(dá)納米數(shù)量級(jí)和位錯(cuò)密度的增加。圖3是材料表面形成納米層之下是一層較厚的變形層的形貌圖。如圖3所示，超聲波表面處理后，7B04材料表面形成納米層之下是一層較厚的變形層，這一變形帶晶粒形變，向狹長(zhǎng)方向發(fā)展，并有一定的取向，表面形成殘余壓應(yīng)力，表面粗糙度明顯下降，晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。7B04鋁合金超聲波表面處理前、后試樣的疲勞壽命試驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)度鋁合金材料，大幅度提高了疲勞壽命，結(jié)果如表l所示表1.合金超聲波表面處理前、后試樣的疲勞壽命<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>超聲波處理前材料表面表面腐蝕出現(xiàn)大量的點(diǎn)蝕受點(diǎn)蝕面積約為90%、超聲波處理后的腐蝕情況為出現(xiàn)少量的微小點(diǎn)蝕坑，受腐蝕面積約為原面積的7%。由此可以看出超聲波處理后樣品的耐腐蝕能力大幅度提高。圖4a和圖4b分別為超聲波處理前、后，7B04鋁合金的腐蝕情況對(duì)比；可以看出，應(yīng)力腐蝕性能得到顯著提高，其應(yīng)力腐蝕壽命為未超聲波處理的兩倍。耐摩擦性能試驗(yàn)清華大學(xué)國(guó)家摩擦磨損重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行的往復(fù)滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)條件為正壓力10N、往復(fù)摩擦頻率為20Hz，摩擦系數(shù)為0.2，摩擦對(duì)為鋼球。得到的試驗(yàn)結(jié)果見圖5a和圖5b。如圖5a和圖5b所示，超聲波處理后的試樣的耐磨性為超聲波處理前樣品的兩倍半到三倍。殘余應(yīng)力試驗(yàn)本發(fā)明用X光方法分析7B04高強(qiáng)高韌鋁合金超聲處理前、后的表面殘余應(yīng)力形態(tài)，結(jié)果得出，超聲處理前表面殘余應(yīng)力為60Mpa，而超聲處理后表面殘余應(yīng)力為200Mpa，增加到三倍以上。對(duì)高強(qiáng)高韌7B04新型鋁合金的分析表明經(jīng)過表面超聲沖擊處理后，樣品表層的晶?？杉?xì)化至納米量級(jí)，表面的晶粒尺寸約為10nm,隨著至表面距離的增加，晶粒尺寸逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。在表面附近發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形的區(qū)域，顯微組織由納米晶組成(10100nm);經(jīng)過表面超聲沖擊處理后，材料在表面附近發(fā)生的變化可歸納為表面納米化及梯度結(jié)構(gòu)；殘余壓應(yīng)力的存留，材料表面活性的增加，這些表面特性的綜合改變使得高強(qiáng)高韌新型鋁合金材料的疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性等均有較大幅度的提高，為高強(qiáng)高韌新型鋁合金材料強(qiáng)韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的新概念、新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了發(fā)展空間。權(quán)利要求1、一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，包括超聲波發(fā)生裝置，通過導(dǎo)線與之相連接的超聲波工作槍；其特征在于所述超聲波工作槍包括沖頭，波導(dǎo)管，套筒，外殼，超聲波轉(zhuǎn)換器，壓力彈簧，制冷用壓縮空氣導(dǎo)管；所述沖頭和所述波導(dǎo)管通過連接螺母與所述套筒相連接；所述波導(dǎo)管通過所述套筒與所述超聲波轉(zhuǎn)換器相連接，所述套筒與所述壓力彈簧相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述壓力彈簧位于所述套筒內(nèi)；所述套筒外面設(shè)有外殼；所述套筒另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管相連接。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，其特征在于所述超聲波工作槍的外殼下端設(shè)有固定板。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，其特征在于所述超聲波轉(zhuǎn)換器包括磁致伸縮換能器和與之相連接的壓電換能器。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，其特征在于所述沖頭為硬質(zhì)合金并且固定在固定架上，所述固定架再與所述波導(dǎo)管相連接。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，其特征在于所述沖頭為球面或關(guān)圓柱狀。專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備，包括超聲波發(fā)生裝置，通過導(dǎo)線與之相連接的超聲波工作槍；其特征在于所述超聲波工作槍包括沖頭，波導(dǎo)管，套筒，外殼，超聲波轉(zhuǎn)換器，壓力彈簧，制冷用壓縮空氣導(dǎo)管；所述沖頭和所述波導(dǎo)管通過連接螺母與所述套筒相連接；所述波導(dǎo)管通過所述套筒與所述超聲波轉(zhuǎn)換器相連接，所述套筒與所述壓力彈簧相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述壓力彈簧位于所述套筒內(nèi)；所述套筒外面設(shè)有外殼；所述套筒另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管相連接。本實(shí)用新型的用于金屬材料表面處理的超聲波表面強(qiáng)化處理設(shè)備采用磁致轉(zhuǎn)換裝置，頻率范圍為10-60KHz。轉(zhuǎn)換功率的能力大，且持久性強(qiáng)，并且穩(wěn)定性好，可持續(xù)工作幾十小時(shí)不改變功率。文檔編號(hào)C21D10/00GK201212054SQ20082010913公開日2009年3月25日申請(qǐng)日期2008年7月10日優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日發(fā)明者孫澤明,張東暉,朱其芳,朱寶宏,李志輝,王福生申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院