CN110091129B - 大面积平面涂层复合强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积平面涂层复合强化方法，属于金属材料表面加工领域。所述复合强化方法包括：S1.采用超声振动辅助圆周铣削工艺在工件加工表面形成规则分布的微米/纳米级犁沟形三维微观结构；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，本发明的大面积平面涂层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难，是平面型高强度工程构件的一种综合有效的表面处理方法，具有很好的推广应用价值。

Description

大面积平面涂层复合强化方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面加工领域，具体提供一种大面积平面涂层复合强化方法。

背景技术

为了改善工件的摩擦学性能，提高其防腐蚀性能，或者改进其施工工艺性，对金属工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，提供一种大面积平面涂层复合强化方法。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，同时提高工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：大面积平面涂层复合强化方法，包括：

S1.超声振动辅助圆周铣削加工

采用超声振动辅助圆周铣削工艺，在工件加工表面形成规则分布的微米/纳米级犁沟形三维微观结构；

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工件，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，超声振动辅助圆周铣削加工可采用以下两种方式完成：

一、工件固定，圆周铣刀绕主轴旋转，同时沿加工方向做进给运动，并沿着进给方向做固定频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行。该方式尤其适合大尺寸工件，圆周铣刀的振动幅度优选为2-20微米，最佳为2-10微米。

二、圆周铣刀绕主轴旋转，并沿加工方向做进给运动，同时，工件沿着圆周铣刀进给方向做固定频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行。该方式尤其适合小尺寸工件，工件的振动幅度优选为2-20微米，最佳为2-10微米。

所述圆周铣刀为常规图柱形铣刀。

作为优选，所述犁沟形规则分布的三维微观结构中，单个犁沟的排布倾角α通过选择铣刀螺旋角度进行参数化控制，宽度b、高度h通过选择圆周铣刀进给运动速度和超声振动幅度进行参数化控制；相邻犁沟的排列间距p通过调整圆周铣刀进给速度和超声振动频率进行参数化控制。

作为优选，所述表面涂覆采用化学镀工艺或者物理气相沉积工艺，且涂层厚度大于犁沟高度h。特别是当涂层厚度为犁沟高度h的1.3-2倍时效果最佳。

作为优选，超声滚压表面强化时，超声滚压刀具一方面沿加工方向做进给运动，同时垂直加工方向做超声频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行。振动幅度优选为2-20微米，最佳为2-10微米。

特别是，可以在超声滚压表面强化前，先将工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工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，具体温度可实验确定。

工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。

本发明的大面积平面涂层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)三维微观结构加工工序在工件加工表面形成规则分布的微米/纳米级犁沟形三维微观结构，能够为工件表面与涂覆层的结合提供强有力附着力，解决涂层与工件表面结合强度问题；

(二)与普通圆周铣削加工相比较，超声振动辅助圆周铣削加工可以深刻改变铣削加工机理，将传统的连续铣削加工改变为间歇的断续脉冲式铣削，可以有效减小铣削力，降低加工表面的粗糙度，提高加工表面的加工精度；同时，超声振动辅助圆周铣削加工工艺所形成犁沟形表面微纳结构形貌，可以有效增加涂覆层分子在基材表面的附着力和二者的相容性，从而提高二者的结合强度；

(三)中温超声滚压工艺可以根据具体材料的塑性特征，在合适的温度条件下进行表面强化加工，能够在零件表面形成冷作加工硬化，有效改善涂覆后工件表面的粗糙度，提高表面硬度，并进一步增加工作和涂覆层界面结合力，提高最终成形表面的硬度和疲劳强度；

(四)超声振动辅助圆周铣削加工、表面涂覆、超声滚压表面强化配合作用，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难，是平面型高强度工程构件的一种综合有效的表面处理方法；

(五)超声振动辅助圆柱铣削、表面涂覆、中温超声滚压均参数可控，可柔性的适用于各类工程构件，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；

(六)在中温下进行热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；

(七)温塑性强化工艺进一步提升工件表面与涂覆层的结合力。

附图说明

附图1是实施例一中超声振动辅助圆周铣削加工示意图；

附图2是图1所示示意图的A向视图；

附图3是实施例一中犁沟形规则分布的三维微观结构表面示意图(a图：实际加工形貌一；b图：实际加工形貌二；c图：二维示意图；d图：剖视图)；

附图4是实施例一中超声滚压表面强化原理示意图；

附图5是实施例二中超声振动辅助圆周铣削加工示意图；

附图6是普通圆周铣削和超声振动辅助圆周铣削加工表面粗糙度对比图；

附图7是超声振动辅助圆周铣削加工表面基材和涂层界面结合强度随振动幅度的变化趋势图；

附图8是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中碳钢材质轴类零件。

【实施例一】

大面积平面涂层复合强化方法，包括以下步骤：

S1.超声振动辅助圆周铣削加工(适用于大尺寸工件)

如附图1、2所示，将工件1固定装夹于铣床工作台；圆周铣刀2绕主轴旋转，同时沿水平方向做进给运动，并沿着进给方向做固定频率的微小幅度往复振动，在加工表面形成如附图3所示的规则分布的微米级犁沟形三维微观结构。

设定工艺参数如下：

主轴回转速度：5000r/min；

铣刀螺旋角度：25°；

圆周铣刀进给运动速度：40mm/min；

超声振动幅度：7微米；

超声振动频率：20KHz。

得到的犁沟形规则分布的三维微观结构中，单个犁沟的排布倾角α＝25°，宽度b＝4μm、高度h＝0.46μm；相邻犁沟的排列间距p＝5μm。

S2.表面涂覆

以化学镀工艺对铣削后的工件1进行表面涂覆处理，涂层厚度为犁沟高度h的1.5倍。

S3.超声热滚压表面强化

如图4所示，工件1装夹于铣床工作台并通过温控装置3加热至350℃(该工件的应变失效温度)，然后超声滚压刀具4一方面沿水平方向做进给运动，同时垂直水平方向做超声频率的微小幅度往复振动，对工件1进行超声热滚压表面强化。

工艺参数如下：

进给速度：143mm/min；

静压力：50N；

振动频率：20KHz；

振动幅度：4微米；

滚压道次：2。

S4.温塑性强化

将超声滚压表面强化后的工件放置于保温箱内，在350℃(该工件的应变失效温度)下保温20分钟，完成塑性强化。

【实施例二】

如附图5所示，步骤S1中，工件1装夹于铣床工作台并跟随工作台沿着圆周铣刀2的进给方向做固定频率的微小幅度往复振动；圆周铣刀2绕主轴旋转，同时沿水平方向做进给运动，在其加工表面形成特定的规则分布的纳米级微观几何形貌(适用于小尺寸工件)。

步骤S2、S3、S4与实施例一相同。

【对比例一】

加工对象的材质、尺寸，以及具体步骤均与实施例一相同，区别限在于步骤S3中不加热工件，以常温超声滚压加工工艺对涂覆处理后工件表面进行强化加工。

【对比例二】

加工对象的材质、尺寸，以及具体步骤均与实施例一相同，区别限在于工件经步骤S3的中温超声滚压加工工艺后，不再进行温塑性强化。

【实验例一】

样品一：步骤S1方式铣削处理的工件。

样品二：普通圆周铣削处理的工件。

对样品表面进行粗糙度测定，结果如图6所示。可以看出，相同进给速度下，超声振动铣削件的粗糙度远低于普通铣削件。

【实验例二】

改变实施列一中超声振动辅助圆周铣削的振动幅度，并测定不同振动幅度下加工表面基材和涂层界面的结合强度，测定结果如图7所示。

0μm振幅表示无振动，代表普通圆周铣削加工条件。可以看出，微小幅度振动状态下的圆周铣削能够大幅度提高界面结合强度。

【实验例三】

对实施例一、对比例一、二得到的工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8)。可以看出，以实施例一强化方法得到的复合表面工件的界面结合强度，明显优于各对比例中界面结合强度，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一种，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 (4)

1.大面积平面涂层复合强化方法，其特征在于包括：

S1.超声振动辅助圆周铣削加工

采用超声振动辅助圆周铣削工艺，在工件加工表面形成规则分布的微米/纳米级犁沟形三维微观结构，

所述超声振动辅助圆周铣削工艺指：工件固定，圆周铣刀绕主轴旋转，同时沿加工方向做进给运动，并沿着进给方向做固定频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行；

或者，圆周铣刀绕主轴旋转，并沿加工方向做进给运动，同时，工件沿着圆周铣刀进给方向做固定频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行；

S2.表面涂覆

采用化学镀工艺或者物理气相沉积工艺进行表面涂覆；

S3.超声滚压表面强化

将工件加热至工件的应变失效温度范围内并保温，然后在该温度下进行超声滚压表面强化；

S4.温塑性强化

超声滚压表面强化后的工件，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，

所述特定温度在工件的应变失效温度范围内。

2.根据权利要求1所述的大面积平面涂层复合强化方法，其特征在于，

单个犁沟的排布倾角α通过选择铣刀螺旋角度进行参数化控制，宽度b、高度h通过选择圆周铣刀进给运动速度和超声振动幅度进行参数化控制；

相邻犁沟的排列间距p通过调整圆周铣刀进给速度和超声振动频率进行参数化控制。

3.根据权利要求1所述的大面积平面涂层复合强化方法，其特征在于涂层厚度大于犁沟高度h。

4.根据权利要求1所述的大面积平面涂层复合强化方法，其特征在于，超声滚压表面强化时，超声滚压刀具一方面沿加工方向做进给运动，同时垂直加工方向做超声频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与工件加工面平行。

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