CN110052779B - 轴类零件高性能表面复合强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴类零件高性能表面复合强化方法，属于金属材料表面加工领域。所述表面复合强化方法包括：S1.对轴类零件进行径向振动车削，在其加工表面形成特定的规则分布的微米/纳米级微观几何形貌；S2.表面涂覆；S3.采用超声滚压加工工艺对涂覆表面进行机械强化处理。与现有技术相比，本发明的轴类零件高性能表面复合强化方法能够大幅度提高基材和涂覆层结合界面的结合强度，同时提高最终成形表面的硬度，疲劳强度和耐磨耐腐性的轴类零件，具有很好的推广应用价值。

Description

轴类零件高性能表面复合强化方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工领域，具体提供一种轴类零件高性能表面复合强化方法。
背景技术
为了改善轴类零件的摩擦学性能，提高其防腐蚀性能，或者改进其施工工艺性，对轴类零件进行表面处理已成为常规处理手段，其中表面涂层是最通用的方法之一，常用的涂层方法如电镀、化学镀、激光熔覆、离子辅助涂覆、冷喷涂、热喷涂、化学气相喷涂、物理气相喷涂、物理气相沉积等。
化学镀技术是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。
物理气相沉积是在真空条件下，利用蒸镀或者溅射等物理形式，把固体材料转化为原子、分子或者离子态的气相物质然后使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或者零件表面，以形成膜层的方法。
目前，化学镀技术和物理气相沉积技术都因为工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域。但是，不论是化学镀技术还是物理气相沉积技术，都存在如下缺点：一是膜/基结合力弱，膜层容易出现脱落而导致构件失效；二是涂层后表面粗糙度高，且表面存在残余拉应力，从而导致构件机械性能差、服役寿命短。
公开号为CN107400887的专利文献公开了一种超声滚压强化激光熔覆层的方法。该方法在熔覆层表面引入超声滚压，可以使表层晶粒更加细化，并产生分布更加均匀的残余压应力及更低的表面粗糙度。公开号为CN101392382A的专利文献公开了一种激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性方法。该方法以脉冲激光喷丸强化单元对溶覆涂层表面进行喷丸强化处理，以降低残余拉应力水平，改善溶覆层质量。公开号为CN108251836A的专利文献公开了一种热轧辊的激光表面合金化方法，通过对热轧辊工作表面进行车削、油膜涂覆、激光扫描等步骤，提高热轧辊的质量。公开号为CN106834637A的专利文献公开了一种金属表面复合强化加工工艺，包括车削、润滑剂涂敷、加热、超声滚压，可以增加表面硬度和抗初期磨损等。但是，上述方法为在涂层工艺后利用超声滚压等塑性强化工艺对最终成形表面进行强化处理，改善表面粗糙度和残余应力分布，但是，仍然存在涂层膜/基结合力不足的问题，而在膜/基结合力本身不足的条件下进行后期强化处理往往容易出现膜层滑动或者产生微观裂纹的问题。因此，需要提供一种综合有效的表面处理方法，以克服上述现有技术的不足。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种高性能表面复合强化方法。该方法能够大幅度提高基材和涂覆层结合界面的结合强度，同时提高轴类零件最终成形表面的硬度，疲劳强度和耐磨耐腐性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：轴类零件高性能表面复合强化方法，包括：
S1.径向振动车削
对轴类零件进行径向振动车削，在其加工表面形成特定的规则分布的微米/纳米级微观几何形貌；
S2.表面涂覆
S3.超声滚压表面强化
采用超声滚压加工工艺对涂覆表面进行机械强化处理。
为了进一步加强膜/基强度，本发明方法还包括：
S4.温塑性强化
超声滚压表面强化后的轴类零件，在特定温度下保温一定时间，使材料表层和亚表层金属材料晶体发生的位错固定，完成塑性强化。所述特定温度在轴类零件的应变失效温度范围内。
步骤S1中，所述径向振动车削指：轴类零件旋转的同时，振动车刀一方面沿轴类零件轴向做进给运动，同时沿着轴类零件径向做固定频率的微小幅度往复振动。振动幅度优选为2-20微米，最佳为2-10微米。
所述微观几何形貌优选为圆周纵列分布的三角锥坑形三维微观结构，三角锥坑的锥口长度、宽度、深度均通过选择车刀类型以及振动幅度进行参数化控制；锥坑的横向排列间距、纵向排列间距通过调整切削速度、轴向进给运动速度和振动频率进行参数化控制。
作为优选，所述表面涂覆优选采用化学镀工艺或者物理气相沉积工艺，并且要求涂层厚度大于锥口深度。特别是当涂层厚度为锥口浓度的1.3-2倍时效果最佳。
作为优选，超声滚压表面强化时，轴类零件旋转的同时，超声滚压刀具一方面沿轴类零件轴向做进给运动，同时沿着工件径向做超声频率的微小幅度往复振动。振动幅度优选为2-20微米，最佳为2-10微米。
特别是，本发明复合强化方法还可以在超声滚压表面强化前，先将轴类零件加热至一定温度并保温，然后在该温度下进行超声热滚压表面强化。所述一定温度优选在轴类零件的应变失效温度范围内。
一般的碳钢材料，其应变失效温度为300-500，具体温度可利用现有技术实验确定。
零件加热方式根据零件尺寸，优选采用卤素灯照射或电流加热方式；保温时间根据材料不同，优选为15分钟-30分钟。
本发明的轴类零件高性能表面复合强化方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：
(一)所述径向振动车削工艺，一方面，可以在零件表面制备规律性强的三维微纳结构，能够为零件表面与涂覆层的结合提供强有力附着力，解决涂层与零件表面结合强度问题；另一方面，可根据不同的工程应用要求方便的进行参数化控制；
(二)所述超声滚压表面强化工艺对涂覆处理后外表面进行强化加工，可以在零件表面形成冷作加工硬化，同时有效改善涂层工艺后表面的粗糙度，进一步强化涂覆界面的结合力，提高微观硬度，改变原来的表面残余拉应力为残余压应力，提高最终成形表面的硬度和疲劳强度；
(三)通过控制和匹配超声振动滚压工艺参数(主轴回转速度、进给速度、静压力、振动频率、振动幅度、滚压道次)可以方便的控制最终成形表面的硬度和残余应力，以适应不同的摩擦构件应用场合，尤其适用于航空航天、汽车、列车等对构件性能要求高的工程领域；
(四)在中温下进行滚压强化可解决涂层在滚压中容易出现的滑动和裂纹问题；
(五)温塑性强化工艺进一步提升零件表面与涂覆层的结合力；
(六)径向振动车削和超声热滚压两种工艺简单，可很方便的安装于普通车床、数控车床和各类数控加工中心，成本低，不需要额外的润滑和保护气体，环境友好。
附图说明
附图1是实施例中径向振动车削原理示意图；
附图2是实施例中圆周纵列分布的三角锥坑形三维微观结构表面示意图(a图：实际加工形貌；b图：二维示意图；c图：单个三角锥坑径向剖视图)；
附图3是实施例中超声热滚压表面强化原理示意图；
附图4是不同工艺处理表面的界面结合强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
各实施例、对比例的加工对象均为同尺寸中碳钢材质轴类零件。
【实施例】
对轴类零件进行表面复合强化的方法包括以下步骤：
S1.径向振动车削
如图1所示，将轴类零件1装夹于车床主轴并旋转，超声振动车刀2一方面沿水平方向(轴类零件轴向)做进给运动，同时沿着轴类零件径向方向做固定频率的微小幅度往复振动，在其加工表面形成特定的规则分布的微米级微观几何形貌。
设定工艺参数如下：
车刀类型：硬质合金TiAlN涂层刀具；
振动幅度：4μm；
切削速度：74r/min；
进给速度：60mm/min；
振动频率：20KHz。
通过上述参数控制，可以在加工表面形成图2所示的圆周纵列分布的三角锥坑形三维微观结构。三角锥坑的锥口长度a＝80μm、宽度b＝50μm、深度h＝4μm，锥坑的横向排列间距k＝90μm、纵向排列间距p＝105μm。
S2.表面涂覆
以化学镀处理工艺对车削后的轴类零件1进行表面涂覆处理，涂层厚度为三角锥坑锥口深度h的1.5倍。
S3.超声热滚压表面强化
以中温超声滚压加工工艺对涂覆处理后外表面进行强化加工。如图3所示，将轴类零件1装夹于车床主轴，在轴类零件1一侧固定卤素灯光源3，另一侧装配超声滚压刀具4。
先利用卤素灯光源3将轴类零件1加热至350℃，并保温，然后轴类零件1旋转的同时，超声滚压刀具4一方面沿轴类零件轴向做进给运动，同时沿着工件径向做超声频率的微小幅度往复振动。
工艺参数如下：
主轴回转速度：530r/min；
进给速度：0.27mm/r；
静压力：50N；
振动频率：28KHz；
振动幅度：3μm；
滚压道次：2。
S4.温塑性强化
将超声滚压表面强化后的轴类零件放置于保温箱内，在350℃(该零件的应变失效温度)下保温20分钟，完成塑性强化。
【对比例一】
S1.精车
采用常规车削工序对轴类零件表面进行精车处理；
S2.表面涂覆
以化学镀对精车后的轴类零件进行表面涂覆处理。
【对比例二】
以实施例一所述步骤S1、S2对轴类零件进行径向振动车削和表面涂覆。
【对比例三】
以实施例一所述步骤S1、S2对轴类零件进行径向振动车削和表面涂覆，然后在常温下完成超声滚压表面强化工艺。
【对比例四】
以实施例一所述步骤S1、S2、S3对轴类零件进行径向振动车削、表面涂覆和超声热滚压表面强化工艺。
【实验例】
通过划痕实验，对实施例、对比例一、对比例二、对比例三、对比例四得到的轴类零件成品进行界面结合强度测定，可以得到界面结合强度对比图(见图4)。可以看出，以实施例强化方法得到的复合表面轴类零件的界面结合强度，明显优于各对比例，具有很好的推广应用价值。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.轴类零件高性能表面复合强化方法，其特征在于包括：
S1.径向振动车削
对轴类零件进行径向振动车削，在其加工表面形成特定的规则分布的微米/纳米级微观几何形貌，
所述径向振动车削指：轴类零件旋转的同时，振动车刀一方面沿轴类零件轴向做进给运动，同时沿着轴类零件径向做固定频率的微小幅度往复振动，
所述微观几何形貌为圆周纵列分布的三角锥坑形三维微观结构；
S2.表面涂覆
S3.超声滚压表面强化
将轴类零件加热至轴类零件的应变失效温度范围内，然后采用超声滚压加工工艺对涂覆表面进行机械强化处理；
S4.温塑性强化
超声滚压表面强化后的轴类零件，在特定温度下保温一定时间，使材料表层和亚表层金属材料晶体发生的位错固定，完成塑性强化，
所述特定温度在轴类零件的应变失效温度范围内。
2.根据权利要求1所述的轴类零件高性能表面复合强化方法，其特征在于，
三角锥坑的锥口长度、宽度、深度均通过选择车刀类型以及振动幅度进行参数化控制；
锥坑的横向排列间距、纵向排列间距通过调整切削速度、轴向进给运动速度和振动频率进行参数化控制。
3.根据权利要求1所述的轴类零件高性能表面复合强化方法，其特征在于，所述表面涂覆采用化学镀工艺或者物理气相沉积工艺。
4.根据权利要求3所述的轴类零件高性能表面复合强化方法，其特征在于，涂层厚度大于锥口深度。
5.根据权利要求1所述的轴类零件高性能表面复合强化方法，其特征在于，超声滚压表面强化时，轴类零件旋转的同时，超声滚压刀具一方面沿轴类零件轴向做进给运动，同时沿着工件径向做超声频率的微小幅度往复振动。
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