CN112159890B - 一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料表面强化领域，涉及一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法。将金属材料机械加工成固定结构的曲面试样。利用电解抛光和超声清洗对曲面试样进行预处理。将经过预处理的金属材料固定在空化腔中，并以双层环形喷嘴对曲面试样进行淹没水射流空化处理。将射流空化后和经过预处理但未经过射流空化处理的金属材料分别进行硬度测试，加载载荷2.94N，保压15s。利用本发明所述对金属试样进行水射流空化强化处理之后，材料表面的硬度相比未经过射流空化强化处理的试样都有明显的提高。

Description

一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法，属于金属材料表面强化领域。
背景技术
曲面结构广泛应用于食品、石油化工、汽车、船舶和海洋工程等各个领域，比如泵叶轮、螺旋桨、车身覆盖件的成形模具、齿轮和飞机的涡轮叶片等，在这些领域中铜及铜合金等有色金属和不锈钢等金属材料因其特有的金属特性有着广泛的应用，但是随着工业的发展，这些金属材料的硬度已经满足不了现代工业的要求，所以改善曲面材料的表面性能，提高曲面材料表面硬度成为许多学者研究的重点。
目前工业领域存在着许多改善表面性能的方法。比如机械喷丸强化、挤压滚压强化、激光熔覆、热处理、表面涂镀、PVD和CVD等，均可以使材料表面硬度提高，但经机械喷丸强化和挤压滚压强化方法强化的零件会发生应力集中，表面粗糙度大，变形不均匀。表面涂镀、PVD和CVD等技术也有缺点，其基体和界面结合强度低，容易使表面发生剥落和剥蚀。激光熔覆和热处理技术在加工过程中会使工件产生局部过热，使基体发生再结晶和晶粒粗化，影响基体的原始性能。
空化水射流因操作简单、环保、效率高等优点被引用到改变材料表面性能领域中。与其它强化方法相比，射流空化可以直接对曲面材料进行处理，避免了固体碰撞，强化后表面更加光滑。使用循环水更加环保，操作简单便于提高工作效率。在空化射流强化过程中，由于空泡破裂时产生微射流冲击和激波冲击，能量高度集中，从而在物体表层引入残余应力，获得理想的晶体结构，从而提高材料表面的硬度。射流空化强化属于材料表面处理及改性技术领域。
发明内容
本发明的目的在于：使用淹没水射流空化装置对曲面材料表面进行射流空化强化，以提高其表面硬度，本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：
一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法，具体过程如下：
步骤(1)：曲面试样的制备。
将金属材料机械加工成固定结构的曲面试样；
步骤(2)：对金属材料表面进行预处理。
用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面用超声波清洗仪清洗，以除去金属表面由于机加工留下的油污及灰层；然后利用电解抛光对曲面进行打磨抛光，保证金属材料的表面呈镜面效果；再用酒精超声清洗以清洗由抛光处理遗留在金属表面的电解抛光液及其他杂质，使用吹风机将金属表面吹干，待射流空化处理使用；
步骤(3)：淹没水射流空化处理过程。
将步骤(2)经过预处理的金属材料放置在支架上，通过将支架固定在空化腔外壁上，使金属材料固定在空化腔内部，并以双层环形喷嘴对曲面进行淹没水射流空化处理。
其中，
步骤(1)中，所述曲面试样的曲面设计为凸面或凹面，凸面的曲率半径范围为6-36mm；凹面的曲率半径范围为7-36mm。
步骤(2)中，用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面清洗时，清洗时间为15min；用酒精超声清洗时，清洗时间为15min。
步骤(3)中，所述淹没水射流空化处理的具体参数如下：射流方向与空化腔轴线夹角为90°，喷嘴直径0.3-0.5mm，工作温度为15-30℃，射流压力为3-25MPa，空化腔内部压力为0.18-0.38MPa，试样距离喷嘴出口的距离为3-22mm。
步骤(3)中，所述双层环形喷嘴由导流腔，分流管，套管，螺栓，内喷嘴，外喷嘴，喷头外壳组成，其中，外喷嘴包括内环喷嘴，外环喷嘴；。
导流腔设为内球状的圆管形状，入水口直径小于出水口直径，出水口连接分流管，分流管的入水口是内部开孔的圆饼形状，在圆饼的外围部位有三个均匀分布的90°扇形孔，中心部位有一个圆形孔，孔壁延伸，形成分流管，出水处孔壁上设有内陷的环状凹槽；内喷嘴的上侧设有凸出的卡环，卡环上套有内环喷嘴，然后将内喷嘴和内环喷嘴整体插在分流管的环状凹槽中；并通过螺栓进行连接与固定。
套管为均匀壁厚的圆管形状，其套在分流管上作为外环水流的外壁，使外环水流宽度与内柱水流的直径相同，同时有固定分流管的作用；
内喷嘴内侧入水孔设定厚度与内环喷嘴的厚度一致，出水孔设为直径比入水孔大的导流孔，导流孔外侧壁的直径大于卡环直径，作为外喷嘴的内侧导流壁。
外环喷嘴设定为圆环状，放置在套管的下侧，通过喷头外壳将其固定。喷头外壳上侧内壁设有内螺纹，与水管相接，下侧设有圆孔，圆孔壁作为外喷嘴的外侧导流壁。由内环喷嘴和外环喷嘴构成的外喷嘴结构，形成的喷嘴宽度同内喷嘴内喷嘴入水孔直径相同，外喷嘴的角度范围设定为6°-19°。由于外环水流宽度与内柱水流的直径相同，外喷嘴的宽度与内喷嘴直径也相同，同时外喷嘴提供一定的角度，所以内外双层喷嘴能够获得在曲面表面上均匀的强化效果。
本发明的有益效果：
(1)本发明是将由于表面损伤而工作效率下降和服役年限降低的过流部件采用射流空化而合理利用，使得空泡破裂时产生微射流冲击和激波冲击直接作用在金属材料表面上，在金属材料的表面植入残余应力并改变其表面的晶体结构，使材料表面的硬度得到提高，相比传统表面强化工艺更加经济及效果显著。
(2)本发明是使用基于ASTM G134国际标准建造的淹没水射流空化装置对金属材料进行射流空化强化处理。此工作台使试样能在淹没条件下进行实验，较为真实地模拟过流部件在服役期间的实际工作环境。同时由于喷嘴喷出的水射流与相对静止的淹没条件下的液体环境相冲击，发生剪切作用出现很多旋涡，此处产生大量的空化泡，空化强化效果与其他空化产生设备相比大大提升。
(3)本发明能通过双层环形喷嘴对各种形状的金属材料表面进行射流空化强化处理，能满足对实际应用中各种成形工件的直接强化，实现提高材料表面硬度的目的，提高了工作效率，降低了建造及维护成本。
附图说明
图1为本发明所述金属材料的结构示意图，a-实施例1-4的曲面示意图，b-实施例5-6的曲面示意图；
图2为本发明所述的淹没水射流空化腔三维模型和结构示意图。a-空化腔的三维模型，b-空化腔结构图；
图3为本发明所述双层环形喷嘴结构示意图；
图4为本发明分流管的结构示意图，a-半面剖面图，b-俯视图。
附图标记说明：1为射流喷嘴，2为试样，3为支架，4-导流腔，5-分流管，6-套管，7-螺栓，8-内喷嘴，9-内环喷嘴，10-外环喷嘴，11-喷头外壳。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法，具体过程如下：
步骤(1)：曲面试样的制备。
将金属材料机械加工成固定结构的曲面试样，如图1所示。；
步骤(2)：对金属材料表面进行预处理。
用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面用超声波清洗仪清洗15min，以除去金属表面由于机加工留下的油污及灰层；利用电解抛光对曲面进行打磨抛光，保证金属材料的表面呈镜面效果；用酒精超声清洗15min以清洗由抛光处理遗留在金属表面的电解抛光液及其他杂质，使用吹风机将金属表面吹干，待射流空化处理使用；
(3)将经过预处理的金属材料固定在空化腔中进行时间为60min的淹没水射流空化处理。所述空化腔的三维模型和结构示意图如图2所示，图2a中1为射流喷嘴、2为试样、3为支架。随后将射流空化后和经过预处理但未经过射流空化处理的金属材料分别进行硬度测试。硬度测试在FM-ARS900全自动显微硬度计上进行，硬度计的参数设置为加载载荷2.94N，保压15s。硬度测试时，在金属表面选取10个点作为硬度测试点，获得硬度值，最后取平均值。如表1所示。
实施例1
本实施例采用曲率半径为6mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.3mm，工作温度为15℃，射流压力为10MPa，空化腔内部压力为0.18MPa，试样距离喷嘴出口的距离为3mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
实施例2
本实施例采用曲率半径为6mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.5mm，工作温度为30℃，射流压力为25MPa，空化腔内部压力为0.38MPa，试样距离喷嘴出口的距离为22mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
实施例3
本实施例采用曲率半径为6mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.4mm，工作温度为25℃，射流压力为20MPa，空化腔内部压力为0.28MPa，试样距离喷嘴出口的距离为19mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
实施例4
本实施例采用曲率半径为36mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.4mm，工作温度为25℃，射流压力为20MPa，空化腔内部压力为0.28MPa，试样距离喷嘴出口的距离为19mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
实施例5
本实施例采用曲率半径为7mm的凹面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.4mm，工作温度为25℃，射流压力为20MPa，空化腔内部压力为0.28MPa，试样距离喷嘴出口的距离为19mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
实施例6
本实施例采用曲率半径为36mm的凹面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理的304不锈钢材料放置到淹没水射流空化装置中进行60min的空化强化处理。淹没水射流空化参数如下：喷嘴直径选取0.4mm，工作温度为25℃，射流压力为20MPa，空化腔内部压力为0.28MPa，试样距离喷嘴出口的距离为19mm。将上述工艺方法处理的金属材料进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
对比例1
本对比例采用曲率半径为6mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理，但未经过淹没水射流空化处理的304不锈钢材料直接进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
对比例2
本对比例采用曲率半径为36mm的凸面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理，但未经过淹没水射流空化处理的304不锈钢材料直接进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
对比例3
本对比例采用曲率半径为7mm的凹面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理，但未经过淹没水射流空化处理的304不锈钢材料直接进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
对比例4
本对比例采用曲率半径为36mm的凹面球状试样，材料为市售304不锈钢，具体化学成分(质量百分比)为：C≤0.07％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Cr 17.0-19.0％、Ni 8.0-11.0％、S≤0.03％、P≤0.035％、余量为Fe。将经过预处理，但未经过淹没水射流空化处理的304不锈钢材料直接进行表面硬度测试，方法详见具体实施方式，测试硬度平均值如表1所示。
表1.实施例1～6与对比例1～4所获得金属材料的表面平均硬度值
Figure BDA0002651424680000061
实验结果显示，利用本发明所述对金属试样进行水射流空化强化处理之后，材料表面的硬度相比未经过射流空化强化处理的试样都有明显的提高。
以上所述，为本发明的优选的实施例，但本发明并不限于上述实施方式，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)曲面试样的制备：将金属材料机械加工成固定结构的曲面试样；
所述曲面试样的曲面设计为凸面或凹面，凸面的曲率半径范围为6-36mm；凹面的曲率半径范围为7-36mm；
步骤(2)对金属材料表面进行预处理：用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面用超声波清洗仪清洗；然后利用电解抛光对曲面进行打磨抛光，金属材料的表面呈镜面效果；再用酒精超声清洗；使用吹风机将金属表面吹干，待射流空化处理使用；
步骤(3)淹没水射流空化处理过程：将步骤(2)经过预处理的金属材料放置在支架上，通过将支架固定在空化腔外壁上，使金属材料固定在空化腔内部，并以双层环形喷嘴对曲面进行淹没水射流空化处理；
所述淹没水射流空化处理的具体参数如下：射流方向与空蚀腔轴线夹角为90°，喷嘴直径0.3-0.5mm，工作温度为15-30℃，射流压力为3-25MPa，空化腔内部压力为0.18-0.38MPa，试样距离喷嘴出口的距离为3-22mm；
其中，所述双层环形喷嘴由导流腔(4)，分流管(5)，套管(6)，螺栓(7)，内喷嘴(8)，外喷嘴，喷头外壳(11)组成，其中，外喷嘴包括内环喷嘴(9)，外环喷嘴(10)；
导流腔(4)设为内球状的圆管形状，入水口直径小于出水口直径，出水口连接分流管(5)，分流管(5)的入水口是内部开孔的圆饼形状，在圆饼的外围部位有三个均匀分布的90°扇形孔，中心部位有一个圆形孔，孔壁延伸，形成分流管，出水处孔壁上设有内陷的环状凹槽；内喷嘴(8)的上侧设有凸出的卡环，卡环上套有内环喷嘴(9)，然后将内喷嘴(8)和内环喷嘴(9)整体插在分流管(5)的环状凹槽中；并通过螺栓(7)进行连接与固定；
套管(6)为均匀壁厚的圆管形状，其套在分流管(5)上作为外环水流的外壁，使外环水流宽度与内柱水流的直径相同，同时有固定分流管的作用；
内喷嘴(8)内侧入水孔设定厚度与内环喷嘴(9)的厚度一致，出水孔设为直径比入水孔大的导流孔，导流孔外侧壁的直径大于卡环直径，作为外喷嘴的内侧导流壁；
外环喷嘴(10)设定为圆环状，放置在套管(6)的下侧，通过喷头外壳(11)将其固定；喷头外壳(11)上侧内壁设有内螺纹，与水管相接，下侧设有圆孔，圆孔壁作为外喷嘴的外侧导流壁；由内环喷嘴(9)和外环喷嘴(10)构成的外喷嘴结构，形成的喷嘴宽度同内喷嘴(8)入水孔直径相同，外喷嘴的角度范围设定为6°-19°。
2.根据权利要求1所述的一种射流空化提高曲面材料表面硬度的工艺方法，其特征在于，步骤(2)中，用无水乙醇或者丙酮对金属材料的表面清洗时，清洗时间为15min；用酒精超声清洗时，清洗时间为15min。
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