CN101003126A - 高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料表面加工技术，尤其涉及材料表面毛化处理技术。一种高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，是采用高压压缩气体驱动微小硬质颗粒以音速或超音速的速度冲击被毛化材料的表面，使材料表面产生强烈的塑性变形，并将材料表面冲蚀下细小的金属颗粒，在材料表面形成毛化结果。本发明可以调整硬质颗粒的颗粒粒径、硬质颗粒的颗粒密度、驱动气体的压力等参数实现不同的粗糙度毛化要求。可以单枪或多枪同时处理，毛化效率高、效果好、适应性强。本发明可适用于轧辊类、平整辊类、成型辊类、轴类、平面类材料或特殊形状表面材料的表面毛化处理。
Description
(一)技术领域
本发明涉及金属材料表面加工技术，尤其涉及材料表面毛化处理技术。
(二)背景技术
具有特殊表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车和家电产业中。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成的，其一系列表面形貌特征对钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。毛化冷轧钢板附加价值极高，但生产手段和工艺技术滞后阻碍了毛化钢板的大批量生产。因此探索和开发实用又不乏先进性的轧辊表面毛化技术，已成为当前冷轧薄板生产厂的迫切需求。
轧辊毛化技术依据加工原理可分成三大类：第一、物理加工，包括喷丸毛化技术(SBT)；第二、熔化、汽化加工，包括电火花毛化技术(EDT)、激光毛化技术(LT)及电子束毛化技术(EBT)；第三、电化学加工，包括Pretex毛化技术和喷墨毛化技术(IJT)。
喷丸毛化是最传统的毛化方法，其利用高速旋转的离心轮将具有尖锐边缘、高硬度的冲击材料(一般为钢丸)加速喷向欲毛化的轧辊(速度约80m/s)。在轧辊表面“切割”下细小的金属微粒。喷丸毛化(SBT)工艺的根本性缺陷在于其毛化过程及结果是随机且不均匀的、不可控和难再现的。
电火花毛化技术工作原理及毛化方法是将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中，在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压。脉冲电压使极间介质电离、击穿，形成放电通道。在通道内、正极和负极表面分别成为瞬时热源，瞬时高温(约20000℃)使金属材料熔化、汽化。在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。电火花毛化后轧辊表面往往形成白层而硬度降低，且其投资和设备运行成本相对较高，工作效率不高，并且也有污染问题。
激光毛化是采用高能量脉冲激光束作用于轧辊表面，使之加热、熔化并部分汽化。使熔池金属向四周堆起，同时在中间产生凹坑。但是激光毛化技术存在以下不足之处，效率较低，毛化成本高。激光毛化冷轧钢板的凹坑排列过于整齐和具有规则，在喷漆后往往还能隐约看到凹坑所形成的螺旋纹路，影响了喷漆后板材的美观性。
电子束毛化为轧辊在真空室内旋转并沿轴向移动，往复经过固定的电子枪。高能电子束投射在轧辊表面，以热的形式释放出能量。在足够高的温度下与电子束相遇的那部分材料便熔化并部分蒸发，形成形成凹坑。电子束毛化的设备十分昂贵，且工艺需要在真空中实现，这就限制了推广和实际应用。
Pretex毛化技本质上是一种电化学沉积的过程。轧辊浸在含铬的电解液中，通以直流电，轧辊表面形成微小的铬球面的涂层，达到了毛化轧辊表面的目的。这种毛化技术还处于试验阶段，其加工效率不是很高，且由于发生电化学反应，易造成大量的有毒性化学废物，对环境污染较严重。
喷墨毛化技术是将喷墨打印技术与电化学加工相结合而成的一种新颖的轧辊毛化技术。首先在计算机程序中设定好欲达到的毛化参数值，驱动打印头将光致抗蚀剂打印在轧辊表面，这样在轧辊表面形成一系列的光致抗蚀剂小点，然后利用与打印头并列的腐蚀头对轧辊进行电化学腐蚀，从而形成轧辊表面毛化形貌。但其加工效率不高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，该方法可实现材料表面的毛化处理，毛化效率高，效果好。
本发明是这样实现的：一种高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，是采用高压压缩气体驱动微小硬质颗粒以音速或超音速的速度冲击被毛化材料的表面，使材料表面产生强烈的塑性变形，并将材料表面冲蚀下细小的金属颗粒，在材料表面形成毛化结果。
上述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，所述硬质颗粒冲蚀能量为大于材料的屈服强度或大于材料的断裂强度。
上述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，所述硬质颗粒为球形硬质颗粒，成分可以为陶瓷、玻璃、高强硬质合金。硬质颗粒的直径范围为1μm至400μm，最佳范围为10-100μm。
上述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，所述高压压缩气体压力为1.0MPa至4.5MPa。高压压缩气体为空气、氮气、氩气、氦气或这些气体的混合气体。
本发明是基于空气动力的一项固体冲蚀技术，其原理是利用高压气体携带硬质颗粒进入高压、高速气流，通过缩放管(超音速喷嘴)产生超高速流，硬质颗粒经超音速喷嘴加速后获得足够的动能，冲击材料表面时对材料表面形成撞击，材料表面发生变形形成毛化；同时由于撞击能量高，可以将材料表面的金属发生强烈的塑性变形，并可以切割下来形成冲蚀效果。这种冲蚀使材料表面毛化形成的凹坑之间、凸起之间以及凹坑和凸起形成相互连通的凹槽，这些凹槽十分有利于轧制或其它使用过程中润滑油的传递，真实粗糙度的保持以及表面形貌的传递。
同时高压压缩气体驱动微小硬质颗粒以音速或超音速的速度冲蚀技术，可将材料表面层组织细化，提高了材料强度和硬度，从而达到表面毛化和强度的双重效果。
本发明可以调整硬质颗粒的颗粒粒径、硬质颗粒的颗粒密度、驱动气体的压力等参数实现不同的粗糙度毛化要求。可以单枪或多枪同时处理，毛化效率高、效果好、适应性强。
本发明不受工件表面形状的限制，可以处理旋转件、平板件、内表面及异形表面，例如瓦棱辊表面等，即本发明可适用于轧辊类、平整辊类、成型辊类、轴类、平面类材料或特殊形状表面材料的表面毛化处理。
本发明的毛化方法处理后材料表面形貌特点为：形貌均匀无规则，粗糙度(Ra)值为0.5μm-8μm，Pc值大，Ra和Pc值相关性不强，各凸起或凹坑之间存在相互连通的通道。
本发明与其它表面毛化技术相比具有如下的优点：
毛化技术要求毛化后的材料表面一般有以下三个指标：粗糙度(Ra)、峰值(Pc)以及各凸起或凹坑之间的通道。
与喷丸毛化技术相比，喷丸毛化技术是利用高速旋转的离心轮将具有尖锐边缘、高硬度的冲击材料抛射至材料表面，利用冲击材料尖锐边缘切割材料表面形成毛化。离心轮的转速可调范围小，因此冲击材料速度相对较低(一般为80m/s)，只能采用大颗粒以提高冲击能量，所以粗糙度受到限制，Ra和Pc值相关性很强，提高Pc值，Ra则下降。本发明高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法是采用高压压缩气体驱动，颗粒的速度高，可以达到1200m/s，所以硬质颗粒的粒径小，粗糙度不受限制，Pc值大，Ra和Pc值相关性不强。高压压缩气体的压力调节范围大，容易控制，硬质颗粒的粒径也可以根据要求进行选择。
与电火花毛化技术相比。电火花毛化技术是采用电热物理转化的方法。相当于在材料表面进行了一次热处理，易形成白层，这一白层的硬度低、影响材料的使用性能。而本发明高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法处理的材料表面不会形成白层，相反材料表面会因组织的细化强度和硬度提高。另外电火花毛化技术设备投资大，操作较高速硬质颗粒冲蚀表面毛化技术复杂。电子束毛化技术(EBT)同样设备十分昂贵，且工艺需要在真空中实现，操作难度大。
与激光毛化技术相比，由于激光发生器是较昂贵的设备，一般激光毛化机床均采用单激光器，使得其效率较电火花毛化技术低，且毛化的成本较高。激光毛化后的轧辊表面微观呈现出凹坑多于凸起的形貌，这种微观形貌不利于将其“拷贝”到钢板表面，所以其形貌传递性不够理想，衰减很明显。同时由于激光毛化可控性强，造成毛化轧辊表面的凹坑呈规律性排列。由于激光毛化冷轧钢板的凹坑排列过于整齐和具有规则，在喷漆后往往还能隐约看到凹坑所形成的螺旋纹路，影响了喷漆后板材的美观性。本发明高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法设备简单，可实现多枪同时处理、毛化效率高；表面形貌没有固定的规律性，是随机分布的，喷漆后不会形成特殊的纹理。
与Pretex毛化技术和喷墨毛化技术(IJT)相比，本发明高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法无污染问题。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为实施本发明高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法结构示意图；
图2为实施例1毛化处理后平板表面形貌拓片；
图3为实施例2毛化处理后辊表面形貌拓片；
图4为实施例3毛化处理后瓦棱辊表面形貌拓片；
图5为实施例4毛化处理后轧辊表面形貌拓片；
(五)具体实施方式
参见图1，高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法的实施如下：压缩气体1分两路，一路进入送粉器2，作为载带气体将硬质颗粒引入超音速喷嘴4；另一路压缩气体通过气体加热器3使气体膨胀，提高气体流速，两路气流进入超音速喷嘴4(喷枪)，在其中形成气-固双相流，双相流中高动能硬质颗粒撞击工件表面5，工件如辊类、轴类、平板件、内表面及异形表面等。高压压缩气体可为空气、氮气、氟气、氦气或这些气体的混合气体。以工件为辊类来说，硬质颗粒对辊表面形成足够的冲击，辊表面发生强烈的塑性变形，并形成冲蚀效果，形成毛化形貌。
实施例1
选择的硬质颗粒为氧化铝陶瓷(α-Al2O3)，微粒的直径为：10-20μm，基板为Cr5钢板。高压压缩气体为空气。毛化工艺：气体压力1.0MPa，气体流量20g/s，送粉密度100个/mm2，喷嘴与工件表面的距离为25mm。形成表面毛化形貌如图2所示，可见毛化技术处理后材料表面形貌特点为：形貌均匀无规则，粗糙度(Ra)值为0.1μm-1μm，Pc值大，Ra和Pc值相关性不强，各凸起或凹坑之间存在相互连通的通道。
实施例2
选择的硬质颗粒材料为玻璃粉，微粒的直径为：20-30μm，基体为GCr15辊。高压压缩气体为氮气和氦气的混合气体。毛化工艺：气体压力2.5MPa，气体流量30g/s。形成辊表面毛化形貌如图3所示，可见毛化技术处理后材料表面形貌特点为：形貌均匀无规则，粗糙度(Ra)值为1μm-2μm，Ra和Pc值相关性不强，各凸起或凹坑之间存在相互连通的通道。
实施例3
选择的硬质颗粒为硬质合金，NiCrCo合金，微粒的直径为：30-60μm。基体为平整辊。高压压缩气体为氮气和氦气的混合气体。毛化参数：气体压力3.5MPa。流量35g/s，形成辊表面毛化形貌如图4所示，可见毛化技术处理后材料表面形貌特点为：形貌均匀无规则，粗糙度(Ra)值为3μm-5μm；Ra和Pc值相关性不强；各凸起或凹坑之间存在相互连通的通道。
实施例4
选择的硬质颗粒为氧化铝陶瓷(α-Al2O3)。微粒的直径为：60-100μm。基体为轧辊，高压压缩气体为氩气。毛化参数：气体压力4.0MPa；气体流量30g/s；形成表面毛化形貌图5所示，可见毛化技术处理后材料表面形貌特点为：形貌均匀无规则，粗糙度(Ra)值为8μm；Ra和Pc值相关性不强；各凸起或凹坑之间存在相互连通的通道。
本发明可以调整硬质颗粒的颗粒粒径、硬质颗粒的颗粒密度、驱动气体的压力等参数实现不同的粗糙度毛化要求。可以单枪或多枪同时处理，毛化效率高、效果好、适应性强。本发明可适用于轧辊类、平整辊类、成型辊类、轴类、平面类材料或特殊形状表面材料的表面毛化处理。
Claims (6)
1.一种高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是采用高压压缩气体驱动微小硬质颗粒以音速或超音速的速度冲击被毛化材料的表面，使材料表面产生强烈的塑性变形，并将材料表面冲蚀下细小的金属颗粒，在材料表面形成毛化结果。
2.根据权利要求1所述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是硬质颗粒冲蚀能量为大于材料的屈服强度或大于材料的断裂强度。
3.根据权利要求1或2所述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是硬质颗粒为球形硬质颗粒，成分可以为陶瓷、玻璃、高强硬质合金。
4.根据权利要求3所述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是硬质颗粒的直径范围为1μm至400μm，最佳范围为10-100μm。
5.根据权利要求1或2所述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是高压压缩气体压力为1.0MPa至4.5MPa。
6.根据权利要求5所述的高速硬质颗粒冲蚀表面毛化的方法，其特征是高压压缩气体为空气、氮气、氩气、氦气或这些气体的混合气体。
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