CN104862454B - 一种高硬度材料表面处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度材料表面处理方法及装置。该方法通过感应线圈将工件表面加热，并采用超声冲击针同步对其表面进行高频撞击，从而在工件表面形成塑性变形层，改变其应力场分布，消除有害的残余拉应力，引入有益的残余压应力，改善工件的疲劳强度和使用性能；并细化其表面组织结构，形成表面强化。装置主要包括感应电源、感应线圈、红外测温仪和温度控制器、超声发生器、变幅杆及冲击针。本发明适用于各种金属、金属陶瓷、金属化合物基复合材料等冷热加工后的表面处理。本发明可高度自动化，效率高；冲击层深大，能显著降低工件表面残余拉应力，并在表面引入压应力以提高其疲劳强度，降低开裂敏感性；能细化工件表面组织，形成表面强化。

Description

一种高硬度材料表面处理方法及装置

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种高硬度材料表面处理方法及装置，以消除材料表面残余拉应力，形成压应力层；并细化其表面晶粒，改善其力学性能。所述高硬度材料一般是指硬度大于55HRC的材料，如金属材料或金属复合材料等。

背景技术

在金属/金属复合材料热加工(铸、锻、焊、熔覆、喷涂等)过程中，由于温度循环和焊接材料与基体材料热物理参数不同，通常会在其表面产生残余拉应力，并导致热影响区组织粗大。此外，金属零件在冷加工(车、铣、刨、磨等)过程中，由于塑性变形的不均匀性，也会在其表面形成残余应力。

不同性质的残余应力会对金属零件的性能产生迥然不同的影响。其中，残余拉应力会严重降低金属零件的力学性能如耐磨性能和疲劳强度等，严重时甚至会导致其开裂。而残余压应力则通常会提高金属零件的使用性能。因此，需要寻找和开发一种新的工艺方法及装置，对加工后的金属零件表面进行处理，一方面消除残余拉应力，并在材料表面形成压应力层，改善其应力状态；另一方面细化晶粒，提高其力学性能。

超声冲击(Ultrasonic Impact Treatment,UIT)是一种高效的金属表面处理方法。其利用高频振动的冲击针高速撞击材料表面，使其产生塑性变形，改变原有应力场，从而降低或消除金属表面残余拉应力，甚至引入一定幅值的压应力，并使工件表面被冲击部位得以强化。

中国发明专利[CN 101492759A]公布了一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺。该方法采用超声冲击处理工件表面焊缝区，并有效地在其表面预置一定幅值的残余压应力，有效地提高了其抗应力腐蚀开裂能力。此外，中国发明专利[CN 103343205 A]公布了一种采用超声冲击控制Fe基熔修层热裂及残余应力的方法。该方法可以有效抑制焊缝热裂纹，细化焊缝表面晶粒并使得焊缝残余应力下降80％以上。

材料表面的塑性变形能力是决定超声冲击效果的关键性因素。塑性变形能力越强，超声冲击层越深，效果越好。现有的超声冲击处理直接对室温或加工后的材料表面进行处理。由于材料在室温下硬度相对较高，塑性变形能力相对较低，因此，超声冲击的效果有限。特别对于金属化合物基复合材料和金属陶瓷复合材料等硬度较高(＞55HRC)的材料，室温下进行超声冲击处理的效果并不理想。

发明内容

本发明提供了一种高硬度材料表面处理方法及装置，目的在于一方面消除材料表面残余拉应力，并预置一定幅值的压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高硬度材料表面处理方法，该方法采用感应线圈对待处理材料表面进行加热，并使加热温度保持在待处理材料的再结晶温度以下，在提高其塑性变形能力的同时，防止回复和再结晶；在感应加热的同时，采用超声冲击针同步对材料表面进行高频撞击，一方面消除材料表面残余拉应力，并预置压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

上述方法可以采用下述步骤具体实现：

第1步调整感应线圈的位置，使其加热面与待处理材料表面平行，二者之间的间隙为3mm～10mm；

第2步超声冲击针与待处理材料表面在感应加热区域内接触；

第3步驱动感应线圈和超声冲击针在待冲击处理材料表面同步扫描，实现其表面不同位置的处理，感应加热温度为200℃～800℃，超声功率0.5～2.0KW，频率15～40KHz，超声波振幅20～100μm。

本发明提供的一种高硬度材料表面处理装置，其特征在于，该装置包括温度控制器、感应电源、超声发生器、变幅杆、超声冲击针、运动控制单元、红外测温仪和感应线圈；

感应线圈通过电缆与感应电源连接，超声冲击针和变幅杆安装在超声发生器上，感应线圈和超声发生器均安装在运动控制单元上，由运动控制单元带动其同步移动；红外测温仪与温度控制器和感应电源连接；感应线圈和超声发生器安装在运动控制单元上；

该装置工作时，将待处理工件固定，并使感应线圈的加热面和待处理工件的加工表面平行；红外测温仪瞄准待处理工件上的感应加热区域以对其温度进行检测，红外测温仪的检测信号输入温度控制器，温度控制器输出控制信号对感应电源的输出功率进行调节，对感应加热温度进行控制；超声冲击针与待处理工件接触，且接触点位于感应加热作用区内；同步开启感应电源和超声发生器，运动控制单元驱动感应线圈和超声冲击针对待处理工件表面进行扫描，完成对待处理工件的处理。

本发明方法采用感应辅助超声冲击实现，它与传统的超声冲击方法相比，具有加工效率高，冲击层更深和残余应力消除效果更好的特征。特别是对于高硬度(＞55HRC)材料，传统的超声冲击处理效果较差，而采用本发明提供的方法，也可以获得较好的处理效果。具体而言，本发明具有以下优点：

①尤其适用于硬度较高材料的表面处理。硬度高于55HRC的材料，由于塑性变形能力差，传统超声冲击处理效果不理想。而感应加热使得材料硬度下降，塑性变形能力增强，超声冲击效果明显改善；

②超声冲击层更深。感应加热的作用使得材料塑性变形能力增强，在相同的超声冲击能量下，冲击层更深；

③工件表面残余拉应力释放更彻底，应力状态显著改善。高温下材料塑性增强，在超声冲击作用下残余拉应力彻底释放，甚至可以在工件表面较深的范围内形成压应力层；冲击层由于晶粒细化，力学性能显著改善，疲劳抗力显著提高；

④加工效率高。由于感应加热的辅助作用，超声冲击扫描速率是传统超声冲击的2～4倍；

⑤自动化程度高，能显著降低操作人员的劳动强度。超声发生器和感应加热线圈通过数控机床或者机械手驱动，操作人员只需要根据被加工工件的形状，输入相应的指令代码即可实现系统的自动化运转，劳动强度较低。

本发明装置通用性好，可用于各种形状工件表面的冲击处理。

附图说明

图1是感应辅助超声冲击处理平板焊缝示意图；

图2是感应辅助超声冲击处理管材焊缝示意图；

图3是感应辅助超声冲击处理平板堆焊层示意图；

图4是感应辅助超声冲击处理轧辊堆焊层示意图；

图中，1、温度控制器，2、感应电源，3、超声发生器，4、变幅杆，5、冲击针，6、待处理工件，7a、机械手，7b、数控机床，8、红外测温仪，9、感应线圈，10、焊缝或堆焊层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实例方法采用感应线圈对待处理金属材料表面进行加热，并使加热温度保持在待处理金属材料的再结晶温度以下，在提高其塑性变形能力的同时，防止回复和再结晶；在感应加热的同时，采用超声冲击针同步对材料表面进行高频撞击，一方面消除材料表面残余拉应力，并预置一定幅值的压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

上述方法可以采用下述步骤具体实现：

第1步调整感应线圈的位置，使其加热面与待处理材料表面平行(工件表面平面时，感应加热面为与之平行的平面；工件表面为曲面时，感应加热面为与之平行的曲面)，二者之间的间隙为3mm～10mm；

第2步超声冲击针与待处理材料表面在感应加热区域内接触；

第3步驱动感应线圈和超声冲击针在待冲击处理材料表面同步扫描，实现其表面不同位置的处理，感应加热温度为200℃～800℃，超声功率0.5～2.0KW，频率15～40KHz，超声波振幅20～100μm。

如图1所示，实现上述方法的装置包括温度控制器1、感应电源2、超声发生器3、变幅杆4、超声冲击针5、运动控制单元7、红外测温仪8和感应线圈9。

感应线圈9通过电缆与感应电源2连接，超声冲击针5通过变幅杆4安装在超声发生器3上，感应线圈9和超声发生器3均安装在运动控制单元上，由运动控制单元带动其同步移动；红外测温仪8与温度控制器1和感应电源2连接；

运动控制单元可以采用机械手7a或数控机床7b等机构，感应线圈9和超声发生器3可以固定在机械手7a或数控机床7b的主轴上。

工作时，将待处理工件6固定，并使感应线圈9的加热面和待处理工件6的加工表面平行；红外测温仪8瞄准待处理工件6上的感应加热区域以对其温度进行检测，红外测温仪8的检测信号输入温度控制器1，经过运算后，温度控制器1输出控制信号对感应电源2的输出功率进行调节，对感应加热温度进行控制；超声冲击针5与待处理工件6接触，且接触点位于感应加热作用区内；

同步开启感应电源2和超声发生器3，运动控制单元驱动感应线圈9和超声冲击针5对待处理工件6表面进行扫描，完成对待处理工件6的处理。

实例：

实施例一

如附图1所示，16Mn钢板焊接完成后，采用感应辅助超声冲击，对焊缝和热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)进行处理，消除焊接应力。经处理后，焊缝表面形成残余压应力峰值～300MPa,压应力层深度～1.5mm。焊缝及HAZ区组织明显细化，焊缝疲劳强度提高30～40％。

实施步骤：

①将焊接后的16Mn钢板固定在特定位置；

②将感应线圈装夹在机械手上，感应线圈的加热面和16Mn钢板的待冲击面平行，两平面间隙为3mm；

③红外测温仪瞄准钢板上感应加热区域。红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制，设置感应加热温度为200℃；

④超声发生器安装在机械手上，超声冲击针与16Mn钢板接触，且接触点位于感应加热作用区内。设置超声冲击的频率为20KHz，超声波振幅为100μm，功率为500W；

⑤同步开启感应电源和超声发生器，机械手驱动感应线圈和超声冲击针对焊缝和HAZ区进行扫描，扫描覆盖率≥100％，扫描速率为300mm/min。

实施例二

如图2所示，不锈钢管1Cr18Ni9Ti环形焊缝，为了消除焊接残余应力，提高抗应力腐蚀开裂能力，采用感应辅助超声冲击对环焊缝进行处理。经处理后，环焊缝表面形成残余压应力峰值～350MPa,压应力层深度～1.8mm。焊缝及HAZ区组织明显细化，焊缝抗应力腐蚀开裂能力较处理前提高40～50％。

实施步骤：

①将焊接后的不锈钢管1Cr18Ni9Ti安装在数控机床上；

②将感应线圈装夹在数控机床的主轴上，感应线圈与不锈钢管的间隙为5mm；

③红外测温仪瞄准不锈钢管上感应加热区域。红外测温仪与温度控制器和感应电源连接对感应加热温度进行检测和控制。设置感应加热温度为500℃；

④超声发生器安装在数控机床主轴上，超声冲击针与不锈钢管接触，且接触点位于环焊缝区域。设置超声冲击的频率为15KHz，超声波振幅为80μm，功率为1000W；

⑤同步开启感应电源和超声发生器，数控机床驱动感应线圈和超声冲击针对焊缝和HAZ区进行扫描，扫描覆盖率≥100％，扫描速率为2000mm/min。

实施例三

如附图3所示，对45钢平板基体上的等离子弧堆焊stellite-1高温合金层。采用感应辅助超声冲击，对堆焊层进行处理。经冲击处理后，涂层表面残余拉应力彻底消除，并形成峰值应力为200MPa的压应力层，压应力层的深度为0.8mm，堆焊层表面无开裂现象，室温和高温滑动磨损性能较处理前提高20～50％。

实施步骤：

①将堆焊后的工件固定；

②将感应线圈装夹在机械手上，感应线圈的加热面和stellite-1堆焊层平行，两平面的间隙为3mm；

③红外测温仪瞄准堆焊层上感应加热区域。红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制。设置感应加热温度为600℃。；

④超声发生器安装在机械手上，超声冲击针与堆焊层接触，且接触点位于感应加热作用区内。设置超声冲击的频率为25KHz，超声波振幅为40μm，功率为1000W；

⑤同步开启感应电源和超声发生器，机械手驱动感应线圈和超声冲击针对焊缝和HAZ区进行扫描，扫描覆盖率≥100％，扫描速率为600mm/min。实施例四

如附图4所示，对9SiCr轧辊基体上堆焊的Ni/WC(60％.Wt)金属陶瓷复合层，采用感应辅助超声冲击，对堆焊层进行处理。经冲击处理后，复合涂层表面形成峰值应力为220MPa左右的压应力层，压应力层的深度为0.6mm，金属陶瓷层表面无开裂现象，室温和高温滑动磨损性能较处理前提高50～80％。

实施步骤：

①将堆焊后的轧辊固定在数控机床上；

②将感应线圈装夹在机械手上，感应线圈的加热面和堆焊层之间的间隙为10mm；

③红外测温仪瞄准堆焊层上感应加热区域。红外测温仪与温度控制器和感应电源连接，对感应加热温度进行检测和控制。设置感应加热温度为800℃。；

④超声发生器安装在机械手上，超声冲击针与堆焊层接触，且接触点位于感应加热作用区内。设置超声冲击的频率为40KHz，超声波振幅为20μm，功率为2000W；

⑤同步开启感应电源和超声发生器，机械手驱动感应线圈和超声冲击针对焊缝和HAZ区进行扫描，扫描覆盖率≥100％，扫描速率为400m/min。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种高硬度材料表面处理方法，该方法采用感应线圈对待处理材料表面进行加热，并使加热温度保持在待处理材料的再结晶温度以下，在提高其塑性变形能力的同时，防止回复和再结晶；在感应加热的同时，采用超声冲击针同步对材料表面进行高频撞击，一方面消除材料表面残余拉应力，并预置压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

2.根据权利要求1所述的高硬度材料表面处理方法，其特征在于，所述感应线圈的加热面与待处理材料表面平行，二者之间的间隙为3mm～10mm。

3.根据权利要求1或2所述的高硬度材料表面处理方法，其特征在于，感应加热温度为200℃～800℃，超声功率0.5～2.0KW，频率15～40KHz，超声波振幅20～100μm。

4.根据权利要求1或2所述的高硬度材料表面处理方法，其特征在于，所述高硬度材料为金属材料或金属复合材料。

5.一种高硬度材料表面处理方法，其特征在于，该方法采用下述步骤实现：

第1步 调整感应线圈的位置，使其加热面与待处理材料表面平行，二者之间的间隙为3mm～10mm；

第2步 超声冲击针与待处理材料表面在感应加热区域内接触；

第3步 驱动感应线圈和超声冲击针在待冲击处理材料表面同步扫描，实现其表面不同位置的处理，感应加热温度为200℃～800℃，且保持在待处理材料的再结晶温度以下，以防止回复和再结晶，超声功率0.5～2.0KW，频率15～40KHz，超声波振幅20～100μm，以消除材料表面残余拉应力，并预置压应力。

6.一种高硬度材料表面处理装置，其特征在于，该装置包括温度控制器、感应电源、超声发生器、变幅杆、超声冲击针、运动控制单元、红外测温仪和感应线圈；

感应线圈通过电缆与感应电源连接，超声冲击针通过变幅杆安装在超声发生器上，感应线圈和超声发生器均安装在运动控制单元上，由运动控制单元带动其同步移动；红外测温仪与温度控制器和感应电源连接；感应线圈和超声发生器安装在运动控制单元上；

该装置工作时，将待处理工件固定，并使感应线圈的加热面和待处理工件的加工表面平行；红外测温仪瞄准待处理工件上的感应加热区域以对其温度进行检测，红外测温仪的检测信号输入温度控制器，温度控制器输出控制信号对感应电源的输出功率进行调节，对感应加热温度进行控制，且使感应加热温度保持在待处理材料的再结晶温度以下，以防止回复和再结晶；超声冲击针与待处理工件接触，且接触点位于感应加热作用区内；同步开启感应电源和超声发生器，运动控制单元驱动感应线圈和超声冲击针对待处理工件表面进行扫描，以消除材料表面残余拉应力，并预置压应力，完成对待处理工件的处理。