CN112760469A - 一种金属材料的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属材料的表面改性方法，包括：将金属材料先进行第一次超声波喷丸处理，再进行第二次超声波喷丸处理，得到表面改性的金属材料；所述第一次超声波喷丸处理的时间为4～16min；所述第二次超声波喷丸处理的时间为2～4min。本发明提供的表面改性的方法经两步复合喷丸后，不同表面状态合金的表面粗糙度和显微硬度均得到了显著改善，提升了材料抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力，延长了材料的使用寿命。本发明提供的表面改性工艺方法简单，降低了操作难度；处理时间短、效率高，节约了成本；对进一步拓展超声波喷丸技术的工程应用具有重要意义。

Description

一种金属材料的表面改性方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种金属材料的表面改性方法。
背景技术
钢铁材料、钛合金、高温合金等金属材料由于具有高的强度和韧性而被广泛用作航空航天、舰船、汽车等不同工业领域的关键结构材料。但设备在运行过程中，不可避免地会受启停、振动等作用，金属部件容易出现疲劳损伤的问题，大大限制了其在工业中的进一步应用。
喷丸强化技术是应用最广泛的表面改性技术之一。通过喷丸处理，可以细化组织，在材料近表层形成硬化层，防止疲劳裂纹萌生；还可以引入有益的残余压应力，阻止裂纹扩展。通过组织及残余应力的优化，增强了材料的疲劳抗力。但喷丸也不可避免地增加了材料的表面粗糙度，这对疲劳性能的改善产生了不利影响。因此，在提高材料表面性能的同时降低表面粗糙度成为本领域技术人员研究的热点。
现有技术改善材料表面粗糙度的喷丸方法多采用气动式喷丸设备，这种设备尺寸巨大，需消耗大量丸料，工艺繁琐且降低材料粗糙度程度较低；欲达到较低粗糙度，复合喷丸次数甚至需要五步，工程应用具有明显局限性。在工业领域缺乏一种便捷有效的改善材料表面粗糙度的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属材料的表面改性方法，本发明提供的表面改性方法在显著降低表面粗糙度的同时提高了材料的表面性能。
本发明提供了一种金属材料的表面改性方法，包括：
将金属材料先进行第一次超声波喷丸处理，再进行第二次超声波喷丸处理，得到表面改性的金属材料；
所述第一次超声波喷丸处理的时间为4～16min；
所述第二次超声波喷丸处理的时间为2～4min。
优选的，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸为轴承钢丸或氧化锆丸。
优选的，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸硬度为HRC60～70。
优选的，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸直径为2～4mm。
优选的，所述第一次超声波喷丸处理的过程中工具头和金属材料之间的距离为5～15mm。
优选的，所述第一次超声波喷丸处理后的金属材料的表面粗糙度为0.8～1.3μm。
优选的，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸直径为1.5～3mm。
优选的，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸为轴承钢丸、氧化锆丸或氮化硅丸。
优选的，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸硬度为HRC60～80。
优选的，所述第二次超声波喷丸处理过程中工具头和金属材料之间的距离为5～15mm。
本发明提供了一种利用超声波喷丸装置对金属材料进行粗糙度及表面性能改善的方法；通过合理选择丸料材质、尺寸及喷丸时间，采用两步复合超声喷丸，既提高了合金表面硬度，又显著降低了不同表面状态合金的表面粗糙度。本发明能够实现金属零件的高效率、高强度、低表面粗糙度的表面喷丸强化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超声波喷丸装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1～7中试样原始表面、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的轮廓算术平均偏差Ra；
图3为本发明实施例1～7中试样第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的轮廓算术平均偏差Ra；
图4为本发明实施例1～7中试样原始表面及第二次超声波喷丸后的显微硬度；
图5为实施例6～10中试样原始表面、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的轮廓算术平均偏差Ra及显微硬度变化；
图6为实施例11中试样原始表面、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的表面轮廓线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明提供了一种金属材料的表面改性方法，包括：
将金属材料先进行第一次超声波喷丸处理，再进行第二次超声波喷丸处理，得到表面改性的金属材料；
所述第一次超声波喷丸处理的时间为4～16min；
所述第二次超声波喷丸处理的时间为2～4min。
本发明对所述金属材料的种类和来源没有特殊的限制，本领域技术人员可根据实际需要对不同的金属材料进行上述表面改性，所述金属材料优选包括钢铁材料、钛合金、高温合金等。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸优选为轴承钢丸或氧化锆丸；所述轴承钢丸优选为精密轴承钢丸；所述第一次超声波喷丸处理的喷丸硬度优选为HRC60～70，更优选为HRC62～68，更优选为HRC64～66；所述轴承钢丸的硬度优选为HRC60～66；所述氧化锆钢丸的硬度优选为HRC70；所述第一次超声波喷丸处理的喷丸密度优选为6～8g/cm3，更优选为6.11～7.85g/cm3，更优选为6.5～7.5g/cm3，更优选为6.8～7.2g/cm3，最优选为7g/cm3；所述轴承钢丸的密度优选为7.85g/cm3；所述氧化锆丸的密度优选为6.11g/cm3。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸直径优选为2～4mm，更优选为2.5～3.5mm，最优选为3mm。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理的过程中工具头和金属材料之间的距离优选为5～15mm，更优选为8～12mm，最优选为10mm。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理的时间优选为5～15min，更优选为8～12min，最优选为10min。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理后的金属材料表面粗糙度优选为0.8～1.3μm。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸直径优选为1.5～3mm，更优选为1.5～2mm或2～3mm，更优选为2.5mm。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸优选为轴承钢丸、氧化锆丸或氮化硅丸；所述轴承钢丸优选为精密轴承钢丸；所述轴承钢丸的直径优选为1.5～2mm，更优选为1.6～1.8mm，最优选为1.7mm；所述氧化锆丸的直径优选为1.5～2mm，更优选为1.6～1.8mm，最优选为1.7mm；所述氮化硅丸的直径优选为2～3mm，更优选为2.2～2.8mm，更优选为2.4～2.6mm，最优选为2.5mm。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸硬度优选为HRC60～80，更优选为HRC65～75，最优选为HRC70；所述轴承钢丸和氧化锆丸的硬度与上述技术方案所述轴承钢丸和氧化锆丸的硬度一致；所述氮化硅丸的硬度优选为HRC75～80。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸密度优选为3～8g/cm3，更优选为3.25～6g/cm3，更优选为4～5g/cm3；所述氮化硅丸的密度优选为3.25g/cm3。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理过程中工具头和金属材料之间的距离优选为5～15mm，更优选为8～12mm，最优选为10mm。
在本发明中，所述第二次超声波喷丸处理的时间优选为2～4min，更优选为2.5～3.5mm，最优选为3mm。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理和第二次超声波喷丸处理过程中的超声波频率优选为20～21kHz。
在本发明中，第一次超声波喷丸处理选用过大尺寸的丸粒会使材料表面粗糙度显著增加，而选用过小尺寸的丸粒则达不到强化的效果，且粗糙度也难以降低，丸粒尺寸在本发明中的上述范围能够获得较好的效果；第二次超声波喷丸处理过程中欲显著降低金属材料的表面粗糙度，不同硬度和密度的丸料需选用不同的丸粒尺寸，所述丸料的硬度、密度与尺寸在本发明的上述范围内具有较好的效果。
在本发明中，所述第一次超声波喷丸处理和第二次超声波喷丸处理优选在超声波喷丸装置中进行；本发明实施例提供的超声波喷丸装置的结构示意图如图1所示，优选包括：
超声波发生器1，所述超声波发生器用于将工频电流转换为超声振动信号，所述超声波发生器的工作频率优选为20～21kHz；
与所述超声波发生器连接的换能器2，所述换能器用于将所述超声振动信号转换为同频率的机械能；
与所述换能器连接的变幅杆3，所述变幅杆用于放大机械能振幅；
与所述变幅杆3连接的工具头4，所述工具头用于提供丸粒对试样表面反复冲击的动力；所述工具头的工作振幅优选为10～100μm，更优选为20～80μm，更优选为30～60μm，更优选为40～50μm，最优选为45μm；
喷丸腔室5，所述喷丸腔室为丸粒对试样反复冲击的场所；所述工具头设置在喷丸腔室的入口端；
试样6，所述试样为超声波喷丸处理的对象，所述试样设置在喷丸腔室内。
本发明提供的金属材料的表面改性方法克服了气动式复合喷丸表面粗糙度大且工艺繁琐的不足；通过合理选择丸料材质、尺寸及喷丸时间，采用两步复合超声喷丸，既提高了金属表面硬度，又显著降低了不同表面状态钛合金的表面粗糙度，且喷丸强化时间最短仅需6min。本发明提供的方法能够实现金属零件的高效率、高强度、低表面粗糙度的表面喷丸强化，对进一步拓展超声波喷丸技术的工程应用具有重要意义。
实施例1
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为1号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸处理选用Φ2.5mm的轴承钢丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸处理选用Φ1.5mm的轴承钢丸，处理时间2min。
按照下述方法测试金属试样的表面粗糙度及显微硬度。
表面粗糙度测试：用MarSurf PS 10表面粗糙度仪对待测试样的表面粗糙度进行测量，测量参数为Ra和Rz；每个试样表面进行6次测量，每次测量长度为4mm，取平均值作为测量结果，并对测得的粗糙度值进行对比。
显微硬度测试：用HVD-1000AP显微硬度计对待测试样的表面硬度进行测量，施压载荷为200g，保载时间为10s，每个试样表面进行6次测量，取平均值作为测量结果，并对测得的显微硬度值进行对比。
检测结果为，本发明实施例1中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra2.48/Rz17.89μm、Ra0.93/Rz4.42μm和Ra0.75/Rz3.70μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和392.9HV。
第二次超声波喷丸处理后的最终试样的表面粗糙度为Ra0.75/Rz3.70μm，Ra降低69.8％，硬度增加12.6％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例2
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为2号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸处理选用Φ2.5mm的轴承钢丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸处理选用Φ1.5mm的氧化锆丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度的检测。
检测结果为，本发明实施例2中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra2.54/Rz18.50μm、Ra0.85/Rz3.91μm和Ra0.73/Rz3.73μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和445.7HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面粗糙度为Ra0.73/Rz3.73μm，Ra降低71.3％，硬度增加27.7％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例3
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为3号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ2mm的氧化锆丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸选用Φ1.5mm的轴承钢丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，本发明实施例3中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra2.81/Rz19.16μm、Ra0.83/Rz 5.31μm和Ra0.79/Rz3.98μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和441.2HV。
第二次超声波喷丸后最终试样的表面粗糙度为Ra0.79/Rz3.98μm，Ra降低71.9％，硬度增加26.4％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例4
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为4号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸处理选用Φ2mm的氧化锆丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸处理选用Φ1.5mm的氧化锆丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，本发明实施例4中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra3.19/Rz21.84μm、Ra1.02/Rz 6.76μm和Ra0.79/Rz4.74μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和439.0HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面粗糙度为Ra0.79/Rz4.74μm，Ra降低75.2％，硬度增加25.8％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例5
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为5号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，本发明实施例5中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra2.82/Rz18.54μm、Ra1.17/Rz7.27μm和Ra0.76/Rz3.78μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和466.2HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样的表面粗糙度为Ra0.76/Rz3.78μm，Ra降低73.0％，硬度增加33.6％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例6
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为6号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间8min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例6中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra2.56/Rz18.79μm、Ra1.06/Rz6.43μm和Ra0.66/Rz3.24μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和454.7HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面粗糙度为Ra0.66/Rz3.24μm，Ra降低74.2％，硬度增加30.3％，Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例7
金属试样材料为TC4钛合金轧制板材，表面为轧制后状态，喷丸试样尺寸为30×30×5mm3，编号为7号。超声波喷丸处理后的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的氧化锆丸，处理时间4min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例7中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra3.07/Rz22.39μm、Ra1.04/Rz6.78μm和Ra0.71/Rz3.30μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和481.3HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面粗糙度为Ra0.71/Rz3.30μm，Ra降低76.9％，硬度增加37.9％；Ra及显微硬度变化如图2～图4。
实施例8
金属试样材料为TC4钛合金棒材，表面经线切割处理，喷丸试样尺寸为Φ30mm×10mm，编号为8号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间8min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例8中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra8.16/Rz46.09μm、Ra1.30/Rz5.96μm和Ra0.87/Rz4.25μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和443.7HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样的表面粗糙度为Ra0.87/Rz4.25μm，Ra降低89.3％，硬度增加27.1％；Ra及显微硬度变化如图5所示。
实施例9
金属试样材料为TC4钛合金棒材，表面经机械抛光处理，喷丸试样尺寸为Φ30mm×10mm，编号为9号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间8min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例9中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra0.05/Rz0.46μm、Ra0.47/Rz 2.67μm和Ra0.67/Rz3.04μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为349.0HV和466.6HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面粗糙度为Ra0.67/Rz3.04μm，硬度增加33.7％；Ra及显微硬度变化如图5所示。
实施例10
金属试样材料为镍基单晶高温合金板材，表面经机械抛光处理，喷丸试样尺寸为30×10×5mm3，编号为10号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面10mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间8min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例10中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra0.03/Rz0.44μm、Ra0.90/Rz 5.45μm和Ra0.59/Rz2.73μm；试样初始及第二次超声波喷丸后的硬度分别为376.4HV和688.3HV。
第二次超声波喷丸后的最终试样的表面平均粗糙度为Ra0.59/Rz2.73μm，硬度增加82.9％；Ra及显微硬度变化如图5所示。
实施例11
金属试样材料为TC4钛合金棒材，表面经超声冲击处理，喷丸试样尺寸为Φ30mm×10mm，编号为11号。超声波喷丸处理过程中的超声频率为20kHz，工具头距离试样表面14mm，第一次超声波喷丸选用Φ3mm的轴承钢丸，处理时间8min，第二次超声波喷丸选用Φ3mm的氮化硅丸，处理时间2min。
按照实施例1的方法进行粗糙度和显微硬度检测。
检测结果为，实施例11中试样初始、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的粗糙度分别为Ra1.74/Rz11.29μm、Ra1.13/Rz 7.73μm和Ra0.59/Rz3.44μm。
第二次超声波喷丸后的最终试样表面平均粗糙度为Ra0.59/Rz3.44μm，Ra降低66.1％，最低粗糙度为Ra0.48/Rz3.39μm。
实施例11中材料原始表面、第一次超声波喷丸和第二次超声波喷丸后的表面轮廓线如图6所示。
本发明提供的金属材料的表面改性方法克服了气动式复合喷丸表面粗糙度大且工艺繁琐的不足，两次复合喷丸最短仅需6min，喷丸后材料表面粗糙度及硬度均有显著改善；第一次超声波喷丸起到表面强化和降低粗糙度的效果；第二次超声波喷丸进一步降低了材料的表面粗糙度。线切割表面TC4，Ra可由8.16μm降至0.87μm；轧制态TC4，Ra可由3.07μm降至0.8μm以下；超声冲击处理后的TC4，Ra可由1.74μm降至0.59μm；抛光处理后TC4，Ra可维持0.67μm；抛光处理后镍基单晶高温合金，Ra可维持0.59μm。不同工艺处理后TC4的硬度增幅在10％～40％之间，单晶高温合金硬度增幅达82.9％。本发明可实现金属零件的高效率、高强度、低表面粗糙度的表面喷丸强化。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种金属材料的表面改性方法，包括：
将金属材料先进行第一次超声波喷丸处理，再进行第二次超声波喷丸处理，得到表面改性的金属材料；
所述第一次超声波喷丸处理的时间为4～16min；
所述第二次超声波喷丸处理的时间为2～4min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸为轴承钢丸或氧化锆丸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸硬度为HRC60～70。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次超声波喷丸处理的喷丸直径为2～4mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次超声波喷丸处理的过程中工具头和金属材料之间的距离为5～15mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次超声波喷丸处理后的金属材料的表面粗糙度为0.8～1.3μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸直径为1.5～3mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸为轴承钢丸、氧化锆丸或氮化硅丸。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次超声波喷丸处理的喷丸硬度为HRC60～80。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次超声波喷丸处理过程中工具头和金属材料之间的距离为5～15mm。
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