CN110331266A - 超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置。该方法采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：(1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；(2)表面纳米化：采用高压液体携带超声波能量高速运动冲击金属材料表面。该装置包括液体刀装置及超声波发生装置，超声波发生装置包括超声波发生器、超声变幅杆、超声换能器，液体刀装置包括液体刀进液管、冲击液体箱、液体刀喷嘴、液体刀增压箱。本发明通过在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置。
背景技术
目前，在轴类金属材料表面形成梯度结构的方法主要有：
①表面机械研磨处理方法
表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形，引入大量的缺陷，如：位错、孪晶、剪切带等，当位错密度足够大时发生位错湮灭、重组，形成纳米尺寸晶粒，晶粒尺寸沿厚度方向呈逐渐增大的梯度结构。优点：材料整体疲劳性能提高，纳米结构表层具有较高扩散能力，有利于低温渗氮等化学处理。缺点：被处理材料表面粗糙度较大，加工效率低。
②滚压方法
滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，滚压是一种无切削的塑性加工方法。优点：工件表面粗糙度降低，提高表面硬度，提高疲劳性能，减少磨损，延长使用寿命。缺点：滚压技术的优势在于使工件的表面光洁度提高，至于提高表面硬度及疲劳性能是有限度的，因为滚压技术是不可能使工件表面形成纳米晶体结构，甚至不能形成亚微米结构。根据Hall-Petch关系，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大，所以滚压技术对提高工件的表面硬度是有限的。
③表面机械碾压方法(SMGT)
表面机械碾压方法是通过刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，从而提高工件表面的强度和耐磨性。优点：可以使被加工工件的表面形成纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好，加工效率低，对工件外形尺寸有较高要求，很难加工复杂工件，加工温度高，需要复杂的降温系统，加工耗能高。
④表面机械滚压(SMRT)
表面机械滚压方法类似于表面机械碾压法，这种方法刀具前段有一套可旋转滚珠，用来减少加工过程中的摩擦。优点：可以使被加工工件的表面形成纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工效率低，对工件外形尺寸有较高要求，很难加工复杂工件，加工温度高，需要复杂的降温系统，加工耗能高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以使圆棒型工件、大平面平板状工件、不规则复杂工件等超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置，通过在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：
(1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；
(2)表面纳米化：采用高压液体携带超声波能量高速运动冲击金属材料表面，表面纳米化工艺参考参数如下：液体刀喷嘴与金属板表面的距离5～50mm、液压100～2500MPa。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，超声液体刀在金属材料表面做规则扫描运动，根据金属材料特性及想获得晶粒纳米化程度，调整液体刀内压力及超声波频率及振幅，使得工件表面每次加工下压深度为10微米～40微米，加工次数3次～20次。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，根据所需纳米化金属材料的不同，相应的调整冲击液及超声波能量，高压液体包括但不限于水、悬浮液、纳米颗粒分散液或油。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，该方法用于纳米化圆棒型工件或大平面的工件表面，或者对不规则表面及多种形状复杂工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀，纳米层厚度为0.5～50微米。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，将高压液体中加入超声波发生装置，使高压液体携带超声波能量冲击金属表面，加速金属晶粒纳米化的过程，同时进一步细化金属晶粒。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，高压液体中加入硬质微粒，粒径为20纳米～200微米，硬质微粒包括但不限于SiO2、BN、Al2O3或TiO2，硬质微粒与高压液体的质量比例为1：100～500。
一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化专用装置，包括液体刀装置及超声波发生装置，具体结构如下：
超声波发生装置包括超声波发生器、超声变幅杆、超声换能器，液体刀装置包括液体刀进液管、冲击液体箱、液体刀喷嘴、液体刀增压箱，超声换能器的输入端与超声波发生器相连，超声换能器输出端通过超声变幅杆伸至冲击液体箱内，冲击液体箱的一侧与液体刀进液管的一端相通，液体刀进液管的另一端与液体刀增压箱相通，冲击液体箱的底部与液体刀喷嘴相通，液体刀喷嘴的下方与金属板相对应。
所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化专用装置，工作时，超声波发生装置通过超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆获得理想的高能超声波，通过超声波变幅杆将超声波能量带入到冲击液体箱中的液体中；液体通过液体刀增压箱经过液体刀进液管流入冲击液体箱中，在冲击液体箱中携带超声波变幅杆带入冲击液体箱中的超声能量后，带有高压及超声波能量的液体通过液体刀喷嘴产生冲击液体柱，冲击液体柱冲击到金属板的表面，在金属板的表面形成10微米到40微米的凹坑；随着液体刀喷嘴的不停移动，冲击液体柱形成超声液体刀，在金属板的表面形成规律而均匀的表面纳米层。
本发明原理是：
本发明利用高压液体携带超声波能量冲击金属材料表面，液体压强一般控制在需要纳米化材料的屈服强度附近，即可以保证金属表面发生微量变形，又不至于切透金属表面。根据高压液体对材料入射角度不同及携带超声波能量的不同，可以适当调整液体压强及液体刀喷嘴高度。高压液体以很高的速度冲击金属表面引起表面严重塑性变形产生大量位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，最终形成纳米结晶。
本发明优点及有益效果如下：
1、本发明采用一种全新的金属表面纳米化方法，通过高压液体刀携带超声能量冲击金属材料表面纳米化，可有效地降低金属零件表面的晶粒尺寸，在整个金属零件的表面上形成一层与基体材料化学成分完全相同的、晶粒尺寸为三十纳米左右甚至更小的显微组织，获得材料表面纳米结构的厚度范围为0.5～100微米，其具有纳米结构特征的表层，足以保证金属零件能获得力求达到的特性，例如：希望的机械性能(疲劳、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。
2、本发明可以对形状复杂或大平薄板的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀。
3、本发明操作简单、能耗少、成本低、无需对刀、加工过程发热量低、纳米层深度加深、加工过程容错率高，生产效率极高，表面纳米化速率对比《一种轴类金属材料表层形成梯度纳米组织的方法(专利公开号CN102643966A)》大幅度提高，与常规机械纳米化方法相比，本发明纳米化过程中产生的热能也很低，容易控制温度，同时解决纳米晶粒再长大的问题。
4、本发明在纳米化的晶粒更细小均匀，因为有超声波的参与，会减小纳米化过程的加工硬化现象，超声波本身对金属内部位错运动有协助作用。
5、本发明的试验方法和试验刀头，可根据不同工况，与车床、铣床等多种机加工工具共同使用。
6、本发明可调节不同的液压、不同的超声波参数，对材料进行多次纳米化，进而形成梯度纳米化金属晶粒。
7、表面粗糙度低。本发明的加工方法使处理工件受力均匀、连续，可以做到无切削的塑性加工方式，其表面粗糙度低。
8、本发明超声液体刀加工方向可以垂直于金属材料表面，也可以与金属表面形成一定角度，因此对金属材料表面形状没有特殊要求，非常适合于实际工业生产中应用。
9、本发明超声液体刀可以根据实际生产中的要求，添加多角度、多刀头，实现线加工、面加工甚至体加工等多种加工方式。
10、本发明装置具有操作简单、成本低、发热低、生产加工效率极高、对于金属材料表面形状无特殊要求等多种优点，适合于在工厂及实验室大规模批量加工表面纳米化金属。
附图说明
图1为本发明实施例1所用的装置结构示意图。
图2为金属板加工细节图。
图3为本发明实施例1所用的装置立体示意图。
图4为316L不锈钢材料使用本发明方法纳米化后金相显微组织。
图中，1.超声换能器；2.超声变幅杆；3.超声波发生器；4.液体刀进液管；5.冲击液体箱；6.液体刀喷嘴；7.金属板；8.液体刀增压箱；9.冲击液体柱。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明结构进行详细地说明。
如图1-图3所示，本发明超声液体刀冲击金属材料表面纳米化的专用装置，包括液体刀装置及超声波发生装置，主要设有一个超声换能器1、一个超声变幅杆2、一个超声波发生器3、一个液体刀进液管4、一个冲击液体箱5、一个液体刀喷嘴6、一个液体刀增压箱8，具体结构如下：
超声波发生装置包括超声波发生器3、超声变幅杆2、超声换能器1，液体刀装置包括液体刀进液管4、冲击液体箱5、液体刀喷嘴6、液体刀增压箱8，超声换能器1的输入端与超声波发生器3相连，超声换能器1输出端通过超声变幅杆2伸至冲击液体箱5内，冲击液体箱5的一侧与液体刀进液管4的一端相通，液体刀进液管4的另一端与液体刀增压箱8相通，冲击液体箱5的底部与液体刀喷嘴6相通，液体刀喷嘴6的下方与金属板7相对应。
工作时，超声波发生装置通过超声波发生器3、超声波换能器1和超声波变幅杆2获得理想的高能超声波，通过超声波变幅杆2将超声波能量带入到冲击液体箱5中的液体中。液体(如：水等)通过液体刀增压箱8经过液体刀进液管4流入冲击液体箱5中，在冲击液体箱5中携带超声波变幅杆2带入冲击液体箱中的超声能量后，带有高压及超声波能量的液体通过液体刀喷嘴6产生冲击液体柱9，冲击液体柱9冲击到金属板7的表面，在金属板7的表面形成10微米到40微米的凹坑。随着液体刀喷嘴6的不停移动，冲击液体柱9形成超声液体刀，在金属板7的表面形成规律而均匀的表面纳米层。
在具体实施过程中，本发明超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：
1.基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；
2.表面纳米化：采用高压液体携带超声波能量高速运动冲击金属材料表面，表面纳米化工艺参考参数如下：液体刀喷嘴与金属板表面的距离5～50mm(优选为10mm)、液压100～2500MPa(选取加工材料的塑性变形区，低于材料的断裂强度)，液温及超声波频率、超声波方向、液流冲击方向，根据金属材料特性及想获得晶粒纳米化程度进行调节。根据所需纳米化金属材料的不同，可相应的调整冲击液及超声波能量，高压液体包括但不限于水、悬浮液、纳米颗粒分散液、油等液体。
本发明不仅可以纳米化圆棒型工件、大平面的工件表面，而且可以对不规则表面及多种形状复杂工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀，已知对不锈钢及纯铜处理后的纳米层厚度可达50微米，后期参数修改有可能得到更厚的纳米层。如图4所示，从316L不锈钢材料使用本发明方法纳米化后金相显微组织可以看出，加工后材料硬度得到显著提高。以316L为例，材料硬度提高1倍多，由加工前的硬度2GPa提高到加工后的5.7GPa。
由于将高压液体中加入超声波发生装置，使高压液体携带超声波能量冲击金属表面，加速金属晶粒纳米化的过程，同时进一步细化金属晶粒。当携带的超声波分别为纵波和横波时，加工后金属晶粒纳米化效果会有所不同。同时，超声波在金属晶粒纳米化的过程中有降低加工硬化的现象，因此纳米层深度会比常规机械式纳米化的纳米层更厚。超声液体刀在金属材料表面做规则扫描运动，调整合适的液体刀内压力及超声波频率及振幅，使得工件表面每次加工下压深度为10微米～40微米，加工次数3次～20次。超声液体刀的运行速度可调节范围极大，液体刀纳米化的过程中材料表面温度可控，因此本发明的加工效率远高于常规机械纳米化方法(如：表面机械碾压SMGT、表面机械滚压SMRT、喷丸式、碾压式等)。同时，因为液体刀喷嘴与金属试样表面距离可调范围较大，在5～50mm(优选为10mm)范围内均可达到一定的纳米化效果，因此可以纳米化加工形状较为复杂的金属材料表面，液体刀纳米化一举解决常规纳米化方法只能应用于形状简单，小批量加工的难题，具有重大的工程应用意义。
本实施例中，虽然采用的单刀头的设计方案，但是在实际工业生产中可采用扩展多刀头的方法来进一步提高金属表面纳米化的加工效率，其最终实验效率甚至可以达到常规表面机械滚压(SMRT)加工方式的几十倍。本实施例中所使用的高压液体刀及超声波发生器在国内外均有成熟的技术参考，在此不做赘述。但是将两者结合后进行材料加工，尤其是进行金属材料纳米化加工的方式，是国内外独有的。
在超声液体刀进行材料纳米化的过程中，发现在特定液压下，不锈钢316L材料在表面形成大量织构。因此，本实施例有可能在金属材料织构化加工中也有一定的应用。
另外，高压液体中可加入硬质微粒，粒径为20纳米～200微米(优选为20纳米～100纳米)，硬质微粒包括但不限于SiO2、BN、Al2O3、TiO2等，硬质微粒与高压液体的质量比例为1：500。
实施例结果表明，本发明整个装置使用简单，无安全隐患，在无需精确对刀的前提下就能够进行金属材料表面的高速纳米加工，是国际上一种全新的金属表面纳米化方法，可以在工厂及实验室，大规模金属纳米加工时使用，为推动金属材料纳米化由实验室走向产业化提供技术支持。同时，本发明在液体刀中引入超声波能量降低加工硬化的思路在常规的液体刀切割领域也有一定的参考价值。
Claims (8)
1.一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：
(1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；
(2)表面纳米化：采用高压液体携带超声波能量高速运动冲击金属材料表面，表面纳米化工艺参考参数如下：液体刀喷嘴与金属板表面的距离5～50mm、液压100～2500MPa。
2.按照权利要求1所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，超声液体刀在金属材料表面做规则扫描运动，根据金属材料特性及想获得晶粒纳米化程度，调整液体刀内压力及超声波频率及振幅，使得工件表面每次加工下压深度为10微米～40微米，加工次数3次～20次。
3.按照权利要求1所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，根据所需纳米化金属材料的不同，相应的调整冲击液及超声波能量，高压液体包括但不限于水、悬浮液、纳米颗粒分散液或油。
4.按照权利要求1所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，该方法用于纳米化圆棒型工件或大平面的工件表面，或者对不规则表面及多种形状复杂工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀，纳米层厚度为0.5～50微米。
5.按照权利要求1所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，将高压液体中加入超声波发生装置，使高压液体携带超声波能量冲击金属表面，加速金属晶粒纳米化的过程，同时进一步细化金属晶粒。
6.按照权利要求1所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，其特征在于，高压液体中加入硬质微粒，粒径为20纳米～200微米，硬质微粒包括但不限于SiO2、BN、Al2O3或TiO2，硬质微粒与高压液体的质量比例为1：100～500。
7.一种权利要求1至6之一所述方法使用的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化专用装置，其特征在于，包括液体刀装置及超声波发生装置，具体结构如下：
超声波发生装置包括超声波发生器、超声变幅杆、超声换能器，液体刀装置包括液体刀进液管、冲击液体箱、液体刀喷嘴、液体刀增压箱，超声换能器的输入端与超声波发生器相连，超声换能器输出端通过超声变幅杆伸至冲击液体箱内，冲击液体箱的一侧与液体刀进液管的一端相通，液体刀进液管的另一端与液体刀增压箱相通，冲击液体箱的底部与液体刀喷嘴相通，液体刀喷嘴的下方与金属板相对应。
8.按照权利要求7所述的超声液体刀冲击金属材料表面纳米化专用装置，其特征在于，工作时，超声波发生装置通过超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆获得理想的高能超声波，通过超声波变幅杆将超声波能量带入到冲击液体箱中的液体中；液体通过液体刀增压箱经过液体刀进液管流入冲击液体箱中，在冲击液体箱中携带超声波变幅杆带入冲击液体箱中的超声能量后，带有高压及超声波能量的液体通过液体刀喷嘴产生冲击液体柱，冲击液体柱冲击到金属板的表面，在金属板的表面形成10微米到40微米的凹坑；随着液体刀喷嘴的不停移动，冲击液体柱形成超声液体刀，在金属板的表面形成规律而均匀的表面纳米层。
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Cited By (2)
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| CN113046531A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-29 | 武汉理工大学 | 一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法 |
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2019
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