專利名稱：一種奧氏體不銹鋼表面電子束輻照處理結(jié)合液體噴丸的復(fù)合強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是一種奧氏體不銹鋼表面電子束 輻照處理結(jié)合液體噴丸的復(fù)合強(qiáng)化方法。
背景技術(shù)：
奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的一個(gè)鋼種。由于奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的抗氧 化性、耐蝕性、焊接性、力學(xué)性能以及易成型性等優(yōu)點(diǎn)，所以在石油、化工、電力、航天航空、 醫(yī)學(xué)、紡織等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但是由于其硬度較低，耐磨性能較差，嚴(yán)重影響了奧氏 體不銹鋼機(jī)械零部件的使用壽命，使其在一些場合的使用受到限制。另外，奧氏體不銹鋼在 室溫狀態(tài)下使用時(shí)均以奧氏體組織狀態(tài)存在，無法用淬火、調(diào)質(zhì)等傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)進(jìn)行 表面強(qiáng)化處理。電子束加工是利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行處理。電子束表面改性技術(shù) 是70年代才發(fā)展起來的新技術(shù)，由于電子束具有高能量密度、易于控制和調(diào)節(jié)、無污染等 優(yōu)點(diǎn)，使其在材料表面處理中得以應(yīng)用。電子束處理是一種選擇性區(qū)域處理，其工作過程類 似于電子束焊接。從電子槍陰極表面發(fā)射的電子，經(jīng)過加速后直接轟擊需要處理的工件表 面，瞬間的能量轉(zhuǎn)換和沉積使材料表面層溫度急劇升高，而基體仍保持冷態(tài)，電子束照射結(jié) 束后，加熱區(qū)域的熱量迅速向基體擴(kuò)散，表面層溫度急劇下降，從而在表面改性層中形成特 定的加熱、冷卻過程，類似于常規(guī)的熱處理過程。這樣可以使金屬表面形成超細(xì)晶結(jié)構(gòu)及亞 穩(wěn)態(tài)組織，加之熱應(yīng)力誘發(fā)的應(yīng)變強(qiáng)化，從而可以提高材料的硬度和耐磨性。以上述過程為 基礎(chǔ)，通過控制入射電子束的形成、能量幅值及空間分布，就構(gòu)成了電子束表面改性處理的 獨(dú)特工藝。但是，其不足之處在于電子束表面改性處理只能改變材料近表層區(qū)域微米量級(jí) 的微觀組織和結(jié)構(gòu)，對(duì)靠近表層的較深區(qū)域沒有影響，作用范圍窄；且不能在材料表層區(qū)域 產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力分布。噴丸是利用高速噴射的細(xì)小彈丸在室溫下撞擊工件表面，使表面層材料在再結(jié)晶 溫度下產(chǎn)生彈、塑性變形，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余壓應(yīng)力分布，從而提高工件疲勞強(qiáng)度 和抗應(yīng)力腐蝕能力的一種表面處理方法。噴丸分為干噴和液體噴丸，液體噴丸是在干噴基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的，近些年開始受到關(guān)注。液體噴砂(也稱濕噴砂和水噴砂)的工作原理是 它是將砂(磨料)置于水中，用磨液泵和壓縮空氣，通過噴槍將磨液高速噴射到被加工的工 件上。在液體噴砂中，磨液泵為供料動(dòng)力，壓縮空氣為加速動(dòng)力。液體噴砂使工件表面形 成一層液膜，以排除干摩擦現(xiàn)象，緩和彈丸對(duì)表面的沖擊，使接觸載荷分布更為均勻。由于 高壓液體取代了高壓空氣，丸粒可以隨液體回收，避免粉塵污染并能降低噴丸噪聲，除此之 外，還能提高丸粒和噴嘴的耐用性。液體噴丸強(qiáng)化一方面保持了干噴強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)，另一方面 又由于可以保持液體壓力恒定不變，因此在強(qiáng)化質(zhì)量和強(qiáng)化穩(wěn)定性方面都比干噴法優(yōu)越。 另外本發(fā)明所使用噴丸介質(zhì)為陶瓷丸，由于陶瓷丸硬度大，破碎率低，光整、清潔，被公認(rèn)為 清潔環(huán)保的噴丸介質(zhì)。液體噴丸強(qiáng)化雖然能夠使得表層產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力分布狀態(tài)，但是其在改變材料近表層的微觀組織結(jié)構(gòu)、細(xì)化晶粒方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到電子束處理的效果。所以，本發(fā)明將電子束輻照處理技術(shù)和液體噴丸強(qiáng)化相結(jié)合，并且產(chǎn)生了 “1+1 > 2”的效果，能夠更有效地強(qiáng)化金屬材料，提高其表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)也可提高 材料的疲勞壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種奧氏體不銹鋼表面電子束輻照處理結(jié)合液體噴丸的復(fù) 合強(qiáng)化方法。本發(fā)明采用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)結(jié)合液體噴丸的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，用來對(duì) 奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化。本發(fā)明的主要方法為首先對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行電子束輻照， 然后再對(duì)電子束輻照處理后的表面進(jìn)行液體噴丸強(qiáng)化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述方法采取的技術(shù)方案是在強(qiáng)化前首先對(duì)材料進(jìn)行表面清潔處 理，對(duì)材料表面進(jìn)行預(yù)磨、拋光、清洗并吹干，然后用強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)流脈 沖電子束輻照處理，使表層獲得微觀組織為超細(xì)晶粒乃至納米晶的組織，采用的工藝參數(shù) 是加速電壓20KV 30KV，電子束能量密度3J/cm2 6J/cm2，待處理表面與陽極的距離是 15 25cm，脈沖寬度為3 6 μ s，轟擊的次數(shù)為8 20次，工作真空度彡3Χ 10_3Pa。之 后，對(duì)材料表面進(jìn)行液體噴丸強(qiáng)化，所用設(shè)備是液體噴砂機(jī)，使奧氏體不銹鋼材料表層產(chǎn)生 所需的壓應(yīng)力分布，并進(jìn)一步提高材料的表面質(zhì)量，采用的工藝參數(shù)為噴丸的介質(zhì)是水和 陶瓷丸，介質(zhì)濃度為8 1 20 1，氣壓為0.3 l.OMPa，噴射處理的時(shí)間為10 28s， 噴射距離為5 35cm，噴射角度為30° 90°。本發(fā)明的效果和益處是材料表層殘余壓應(yīng)力分布合理，工件變形小，表面光潔度高。強(qiáng)流脈沖電子束處理 后在材料表層1 10微米的深度范圍內(nèi)形成細(xì)晶層，整體不產(chǎn)生變形；液體噴丸后在材料 表層200 500微米深度范圍內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，且能提高工件的表面光潔度。此外，所述 表面復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)還具有節(jié)約能量，處理效率高，清潔無污染，表面強(qiáng)化效果好的優(yōu)點(diǎn)。本 發(fā)明結(jié)合了強(qiáng)流脈沖電子束表面處理和液體噴丸強(qiáng)化兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生了 “1+1 > 2” 的效果，是一種適合于強(qiáng)化奧氏體不銹鋼表面的新方法。


附圖1是本發(fā)明采用的技術(shù)方案流程圖。附圖2是脈沖電子束表面改性原理示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。首先將奧氏體不銹鋼材料表面進(jìn)過預(yù)磨、拋光、清洗并吹干，然后將其安裝在強(qiáng)流 脈沖電子束設(shè)備上。結(jié)合附圖2，對(duì)脈沖電子束的工作過程進(jìn)行詳細(xì)闡述在確保加工深度的前提下， 即維持所需要的能量峰值，脈動(dòng)地控制能量輸入，單位時(shí)間內(nèi)來自加工區(qū)域的傳熱量減少， 進(jìn)入到加工區(qū)周圍的熱量在電子束停止照射時(shí)，可以迅速擴(kuò)散。這樣，不僅可以避免過多的 能量損失，同時(shí)可以有效地增加冷卻速度，減少熱影響區(qū)的范圍。由于電子束以極短時(shí)間脈動(dòng)輸出，可以減少直至避免金屬蒸汽的產(chǎn)生，繼續(xù)照射時(shí)蒸汽已經(jīng)消失，這樣電子束就不會(huì) 產(chǎn)生散射。另外，脈沖工作方式也可以在很大程度上改善入射電子束截面能量密度分布，有 效地切斷了低能量密度部分，因此能確保得到高能量密度的電子束。強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理所用的設(shè)備是Nadezhda-2型強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，開 啟設(shè)備，設(shè)定加速電壓為28KV，能量密度為4J/cm2，材料與陽極的距離是20cm，脈沖的寬度 為4. 5 μ s，進(jìn)行脈沖電子束輻照處理，轟擊的次數(shù)為10次。此設(shè)備具體的工作過程是當(dāng) 工作室中的真空度達(dá)到5Χ ICT3Pa左右時(shí)，首先由時(shí)序控制電路提供的觸發(fā)脈沖開啟外加 磁場線圈的供電裝置，經(jīng)過3. 2或3. 8ms (取決于磁場線圈數(shù)量2 3個(gè))后，磁場強(qiáng)度達(dá) 到其峰值(1000 12000e/kV)，火花等離子體源開始工作，通過火花放電產(chǎn)生陽極火花等 離子體。經(jīng)過約2 3μ s后，等離子體充滿電子加速間隙及漂移空間。此時(shí)，將高壓脈沖 發(fā)生器生成的電子加速電壓通在陰極上，等離子體二極管中產(chǎn)生爆炸電子發(fā)射，從而生成 強(qiáng)流脈沖電子束。經(jīng)等離子體對(duì)電子束的輸運(yùn)，約90%以上的二極管束流從陽極孔通過，作 用于固定在工作靶上的工件表面，產(chǎn)生相應(yīng)的電子束表面改性效果。經(jīng)特定時(shí)間間隔以后， 再開始下一個(gè)脈沖的循環(huán)工作。等脈沖電子束處理結(jié)束后，最后對(duì)其實(shí)施液體噴丸強(qiáng)化，液體噴丸強(qiáng)化采用的設(shè) 備是JY-120WB型液體噴砂機(jī)，具體的操作過程是首先將經(jīng)電子束改性處理后的試件用酒精清洗后裝卡在特制的夾具上，按照水和 陶瓷丸的質(zhì)量比為10 1，加入一定的緩釋劑配成磨液，調(diào)整噴槍距試件的距離為20cm，噴 嘴垂直于試件表面。然后將夾具移開，打開空壓機(jī)，調(diào)整氣壓到0.4MPa。一切準(zhǔn)備就緒后， 開始對(duì)試件就行噴制，噴射時(shí)間為18秒，噴射角度為90°。
權(quán)利要求
一種奧氏體不銹鋼表面電子束輻照處理結(jié)合液體噴丸的復(fù)合強(qiáng)化方法，所述方法是首先對(duì)奧氏體不銹鋼材料表面進(jìn)行預(yù)磨、拋光、清洗并吹干，然后對(duì)其進(jìn)行電子束輻照處理，最后對(duì)表面進(jìn)行液體噴丸強(qiáng)化；其特征在于所述強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理所用的工藝參數(shù)是加速電壓20KV～30KV，電子束能量密度3J/cm2～6J/cm2，材料表面與陽極的距離是15～25cm，脈沖寬度為3～6μs，轟擊的次數(shù)為8～20次，工作真空度≥3×10 3Pa；所述液體噴丸強(qiáng)化采用的噴丸介質(zhì)是水和陶瓷丸，介質(zhì)濃度為8∶1～20∶1，氣壓為0.3～1.0MPa，噴射處理的時(shí)間為10～28s，噴射距離為5～35cm，噴射角度為30°～90°。
全文摘要
一種奧氏體不銹鋼表面電子束輻照處理結(jié)合液體噴丸的復(fù)合強(qiáng)化方法，屬于金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行處理，并結(jié)合后續(xù)的液體噴丸強(qiáng)化，可以改變奧氏體不銹鋼表層的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。所述強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理所用的工藝參數(shù)是加速電壓20KV～30KV，電子束能量密度3J/cm2～6J/cm2，材料表面與陽極的距離是15～25cm，脈沖寬度為3～6μs，轟擊的次數(shù)為8～20次，工作真空度≥3×10-3Pa。所述液體噴丸強(qiáng)化采用的噴丸介質(zhì)是水和陶瓷丸，介質(zhì)濃度為8∶1～20∶1，氣壓為0.3～1.0MPa，噴射處理的時(shí)間為10～28s，噴射距離為5～35cm，噴射角度為30～90°。本發(fā)明的效果和益處是節(jié)能、環(huán)保、高效、工件變形小、表面光潔度高。
文檔編號(hào)C21D7/06GK101914660SQ20101024783
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者周文龍, 陳國清 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)