CN112935256B - 基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法 - Google Patents

基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，包含：对表面清洁干燥的待处理零件测定重要工作位置处的残余应力；将待处理零件置于磁处理设备的中心区域，两端固定，确定脉冲磁场和零件的相对位置、脉冲磁场的方向、脉冲磁场的峰值强度、脉冲磁场的次数和脉冲磁场的频率，释放脉冲磁场，待脉冲磁场释放完毕，完成脉冲磁场处理，所述待处理零件的残余应力降低，硬度和强度提升。本发明的改性方法利用脉冲磁场作为高能能量源，在短时间内改善粉末冶金非磁性金属零部件残余应力状态，提高其力学性能，能耗低，处理时间短，不影响零件的尺寸精度。

Description

基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法
技术领域
本发明涉及一种非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，具体涉及一种基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法。
背景技术
金属是目前应用最为广泛的一种工程材料，对于不同金属材料制备的零部件，根据其使用场景可以分为功能材料和结构材料，在不同的使用场景下对金属零部件也有着不同要求。随着科技的发展，对各类金属零部件提出了更高、更复杂的性能和结构尺寸要求，往往需要金属零部件在满足性能要求的同时具有特定的几何形状。目前，在各类材料制备方法中，粉末烧结法能够在制备复杂几何结构零件时同时使零件兼顾一定的物理力学性能，但为了满足更高的使用要求，仍需要必不可少的后处理过程。
目前，改善烧结金属零部件性能最主要的后处理方式为各种热处理，主要包括淬火、回火、退火等。但在传统热处理过程中的高温会不可避免地导致金属零部件的氧化烧损和各类热变形，大大降低了零部件原始精度，需要进一步加工成最终所需零部件。这一类零件后处理方法，能耗高，处理周期长，浪费原材料。因此，需要一种能够高效、稳定、环保且对零件尺寸精度影响小的金属零部件后处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，能够提高非铁磁性零件的力学性能，能耗低，处理时间短，而且不影响零件的尺寸精度。
为了达到上述目的，本发明提供了基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，该改性方法针对待处理零件为非铁磁性零件，包含：对表面清洁干燥的待处理零件测定重要工作位置处的残余应力；将待处理零件置于磁处理设备的中心区域，两端固定，确定脉冲磁场和零件的相对位置、脉冲磁场的方向、脉冲磁场的峰值强度、脉冲磁场的次数和脉冲磁场的频率，释放脉冲磁场，待脉冲磁场释放完毕，完成脉冲磁场处理，所述待处理零件的残余应力降低，硬度和强度提升。
其中，所述脉冲磁场和零件的相对位置，使磁感线以最长长度完整的通过待处理零件，使待处理零件的长度方向平行于磁感线放置。
所述脉冲磁场的方向，根据待处理零件当前的残余应力状态，当零件重要工作位置的压应力与拉应力绝对值之差小于其中较小值的50％，使用双向脉冲磁场；当零件重要工作位置的压应力与拉应力绝对值之差大于其中较小值的50％或仅存在拉应力或压应力时，使用单向脉冲磁场。
所述脉冲磁场的峰值强度，通过磁感线通过的最大横截面x确定脉冲磁场的峰值强度：当x≤100mm2时，通过y＝(3*10-2)x估计脉冲磁场的峰值强度，y为脉冲磁场的峰值强度；当x>100mm2时，脉冲磁场峰值强度设置为3T。
所述脉冲磁场的次数，根据脉冲磁场的峰值强度调整：当脉冲磁场峰值强度小于3T时，脉冲磁场次数最少为10次；当脉冲磁场峰值强度在3T以上时，待处理零件的磁感线通过的最大横截面面积在100mm2的基础上每增加100mm2最小脉冲次数增加10次。脉冲磁场的峰值强度和次数影响处理效果的强弱、显著与否。
所述脉冲磁场的频率，以趋肤深度δ>磁感线通过的最大截面的最短边或直径的一半，根据
Figure BDA0002917024460000021
估计脉冲磁场频率，其中ρ为零件电阻率，f为脉冲磁场的频率。通过调整脉冲磁场的频率控制趋肤深度使得趋肤效应深度大于磁感线通过的最大截面的最短边或直径的一半以保证脉冲磁场效果的均匀性。
脉冲磁场频率主要从两个方面影响对材料的处理效果：(1)如果频率过高，脉冲磁场会在金属材料表面产生显著的趋肤效应，这会导致对零件的脉冲磁场处理效果不均匀，表面效果显著，芯部效果微弱，这就限制了脉冲磁场频率的上限；(2)脉冲磁场处理设备的充放磁过程时间较长，能耗较高，提高脉冲磁场的频率，降低脉冲间隔，可以有效地提高脉冲磁场处理的效率，降低不必要的能耗。因此，在不产生影响处理效果的趋肤深度的前提下尽可能地提高脉冲磁场的频率。
优选地，所述非铁磁性零件包含：Ti-6Al-4V、YG8。
优选地，若待处理零件为有中空结构的零件，则所述脉冲磁场和零件的相对位置先使磁感线完整的通过待处理零件。如圆环形零件，应将圆环同心轴线平行于磁感线方向放置，优先保证磁感线完整的穿过零件。
优选地，若待处理零件为圆柱形零件，当高径比大于1时，放置时使待处理零件的轴向与磁感线方向呈平行状态，此时，磁感线完整的从圆柱的圆面通过内部，如果零件轴向与磁感线方向呈垂直状态放置，磁感线虽然均完整的通过了零件，但磁感线长度小于前者，故不采用；当高径比小于1，放置时使零件的轴向与磁感线方向呈垂直状态；当高径比等于1时，放置时使待处理零件的轴向与磁感线方向呈平行状态或垂直状态。
本发明的基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，具有以下优点：
(1)本发明的改性方法，利用脉冲磁场作为高能能量源，在短时间内改善粉末冶金非磁性金属零部件残余应力状态，提高其力学性能，能耗低，处理时间短，不影响零件的尺寸精度；
(2)本发明的改性方法，脉冲磁场参数易于调节，且经过脉冲磁场处理后不需要进一步的处理或加工，步骤简单，对于小尺寸、小批量的零件也可以进行快速处理。
附图说明
图1为未经脉冲磁场处理的Ti-6Al-4V零件端面测量残余应力状态时不同位置的德拜衍射环。
图2为脉冲磁场处理Ti-6Al-4V零件中使用的脉冲磁场波形。
图3为经过脉冲磁场处理的Ti-6Al-4V零件端面测量残余应力状态时不同位置的德拜衍射环。
图4为未经脉冲磁场处理的YG8强度件测试面测量残余应力状态时不同位置的德拜衍射环。
图5为脉冲磁场处理YG8强度件中使用的脉冲磁场波形。
图6为经过脉冲磁场处理的YG8强度件测试面测量残余应力状态时不同位置的德拜衍射环。
图7为对比例1测试面测量残余应力状态时时不同位置的德拜衍射环。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，针对的非磁性粉末冶金金属零件为Ti-6Al-4V圆柱形块状零件，该零件是以平均粒径为30～50μm的原始粉末通过电场烧结制备的。在经实施例1的改性方法处理前，该零件已经过加工达到了一定的尺寸精度，通过实施例1的改性方法改善其残余应力状态，该改性方法包含：
(S1)以无水乙醇为介质，使用超声波清洗机清洗20min，获得表面清洁干燥的待处理零件；测量零件的几何尺寸为直径Φ8mm×高度10mm，相组成为100％的Ti-6Al-4V的α-hcp相，为非铁磁性相；
(S2)零件的重要工作位置为保证硬度的圆柱两端的端面，零件的工作状态为这两端的端面承受高冲击和高载荷，因此，硬度是这两个重要工作位置必须保证的力学性能，测量圆柱两端的端面的不同位置的残余应力状态(以拉应力为正方向)为-130MPa、-128MPa和-108MPa，其测量时的德拜衍射环如图1所示，用于测量零件残余应力的数据，经过数据处理后算出残余应力具体的值；
(S3)确定脉冲磁场和零件的相对位置：零件的尺寸高径比为10mm/8mm(大于1)，为达到磁感线以最长长度完整的通过零件，使零件的轴线方向与磁感线平行放置；
(S4)确定脉冲磁场的参数，包括：确定脉冲磁场的参数、脉冲磁场的峰值强度、脉冲磁场的次数和脉冲磁场的频率，具体如下：
确定脉冲磁场的方向：
由于在零件两端圆面上仅存在压应力，因此使用单向脉冲磁场；
确定脉冲磁场的峰值强度：
根据零件与磁场的相对位置，磁感线从零件两端通过整体零件，磁感线通过的最大截面为零件的横截面，横截面的几何形状为半径为4mm的圆面，其面积为x＝50.24mm2，根据公式y＝(3*10-2)x，y为脉冲磁场的峰值强度，计算得到脉冲磁场的峰值强度为1.5072T，为易于控制处理工艺，实际处理过程采用1.5T的脉冲磁场峰值强度；
确定脉冲磁场的次数：
脉冲磁场的峰值强度1.5T<3T，由于设置值1.5T略小于计算值1.5072T，为达到进一步的处理效果，增加脉冲次数至20次；
确定脉冲磁场的频率：
零件最小截面为圆柱的横截面，其直径的二分之一为4mm，零件Ti-6Al-4V的电阻率为(1/1053，即9.50*10-4)Ω/m，以趋肤深度δ>4mm估计脉冲磁场频率，根据公式
Figure BDA0002917024460000051
脉冲磁场频率为18.9Hz，结合本实施例中使用的脉冲磁场发生装置的实际性能，采用0.1Hz的脉冲磁场频率，最终使用的脉冲磁场波形图如图2所示。
(S5)将零件放置在磁处理设备的中心区域，使用橡胶压头从两端固定待处理零件，释放脉冲磁场，待脉冲磁场释放完毕，完成脉冲磁场处理。
对经过此次脉冲磁处理的Ti-6Al-4V圆柱形零件的两端工作面进行残余应力状态测试和硬度测试，与前述测试部位对应的残余应力降低至-48MPa、-23MP、-40MPa，德拜衍射环如图3所示，图3中的(4)、(5)、(6)相较于图1中的(4)、(5)、(6)锯齿感更明显，这就是残余应力下降的体现，其端面硬度从296.7Hv30提升至308.9Hv30。
实施例2
基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，针对的非磁性粉末冶金金属零件为YG8强度测试样品，零件以平均粒径为1.2～2.4μm的粉末为原材料，使用真空烧结制备，其为用于测试样品残余应力状态、强度、硬度的国标样品，通过实施例1的改性方法改善其残余应力状态，该改性方法包含：
(S1)以无水乙醇为介质，使用超声波清洗机清洗30min，获得表面清洁干燥的待处理零件；根据GB/T3581-2015制备的强度测试样品尺寸为5.25×6.5×20mm的立方体状强度条，成分组成为YG8：92wt％WC+8wt％Co，其中Co以六方晶作为粘结相少量存在，样品的主要成分为六方晶系的WC基体，可以判断零件为非铁磁性零件；
(S2)零件的重要工作(测试)位置为立方体长度方向的中心位置，测量立方体该位置三个侧面的残余应力状态(以拉应力为正方向)为-242MPa、-241MPa、-218MPa，其测量时的德拜衍射环如图4所示；
(S3)确定脉冲磁场和零件的相对位置；零件的几何形状为一定长度的立方强度条，为了使磁感线以最长长度完整的通过被处理零件，应使样品的长度方向平行于磁感线放置；
(S4)确定脉冲磁场的参数，包括：确定脉冲磁场的参数、脉冲磁场的峰值强度、脉冲磁场的次数和脉冲磁场的频率，具体如下：
确定脉冲磁场的方向：
由于在零件的中心工作位置仅存在压应力，因此使用单向脉冲磁场；
确定脉冲磁场的峰值强度：
根据零件与磁场的相对位置，磁感线从零件的小尺寸长方形面通过整体零件，磁感线通过的最大截面为零件的底面，底面的几何形状为5.25*6.5mm的长方形，其面积为x＝34.125mm，根据公式y＝(3*10-2)x，y为脉冲磁场的峰值强度，计算得到脉冲磁场的峰值强度为1.02375T，为了易于控制处理工艺，实际处理过程采用1.0T的脉冲磁场峰值强度；
确定脉冲磁场的次数：
脉冲磁场的峰值强度1.0T<3T，由于设置值1.0T略小于计算值1.02375T，为达到进一步的处理效果，增加脉冲次数至20次；
确定脉冲磁场的频率：
零件的最小截面为5.25*6.5mm的长方形，其最短边的二分之一为2.625mm，零件主要成为YG8的电阻率为2.5*10-6Ω/m，以趋肤深度δ>2.625mm估计脉冲磁场频率，根据公式
Figure BDA0002917024460000061
脉冲磁场频率为0.12Hz，结合本实施例中使用的脉冲磁场发生装置的实际性能，采用0.1Hz的所谓脉冲磁场频率，最终使用的脉冲磁场波形图如图5所示；
(S5)将零件放置在磁处理设备的中心区域，使用橡胶压头从两端固定待处理零件，释放脉冲磁场，待脉冲磁场释放完毕，完成脉冲磁场处理。
对经过此次脉冲磁场处理的YG8强度测试件的中心强度测试段进行残余应力状态测试和硬度测试，并与未经过处理的同一批强度测试件进行强度测试对比，经测试，其残余应力降低至-212MPa、-224MPa和-204MPa，其德拜衍射环如图6所示，其侧面硬度从90.3HRC提升至91.4HRC，其强度从2442.2MPa提升至2558.3MPa。
对比例1
与实施例1基本相同，区别在于：磁场方向不同，施加垂直于实施例中方向的磁场，重要工作平面的残余应力部分位置上升、部分位置下降，参见图7，处理前残余应力为-70MPa，处理后残余应力为-75MPa(增加)，处理后-56MPa(降低)，不能达到稳定的处理效果。
金属材料是典型的晶体结构，具有方向性，因此受脉冲磁场处理时，方向和位置很重要。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，其特征在于，该改性方法针对待处理零件为非铁磁性零件，包含：
对表面清洁干燥的待处理零件测定重要工作位置处的残余应力；
将待处理零件置于磁处理设备的中心区域，两端固定，确定脉冲磁场和零件的相对位置、脉冲磁场的方向、脉冲磁场的峰值强度、脉冲磁场的次数和脉冲磁场的频率，释放脉冲磁场，待脉冲磁场释放完毕，完成脉冲磁场处理，所述待处理零件的残余应力降低，硬度和强度提升；
其中，所述脉冲磁场和零件的相对位置，使磁感线以最长长度完整的通过待处理零件，使待处理零件的长度方向平行于磁感线放置；
所述脉冲磁场的方向，根据待处理零件当前的残余应力状态，当零件重要工作位置的压应力与拉应力绝对值之差小于其中较小值的50％，使用双向脉冲磁场；当零件重要工作位置的压应力与拉应力绝对值之差大于其中较小值的50％或仅存在拉应力或压应力时，使用单向脉冲磁场；
所述脉冲磁场的峰值强度，通过磁感线通过的最大横截面x确定脉冲磁场的峰值强度：当x≤100mm2时，通过y＝(3*10-2)x估计脉冲磁场的峰值强度，y为脉冲磁场的峰值强度；当x>100mm2时，脉冲磁场峰值强度设置为3T；
所述脉冲磁场的次数，根据脉冲磁场的峰值强度调整：当脉冲磁场峰值强度小于3T时，脉冲磁场次数最少为10次；当脉冲磁场峰值强度在3T以上时，待处理零件的磁感线通过的最大横截面面积在100mm2的基础上每增加100mm2最小脉冲次数增加10次；
所述脉冲磁场的频率，以趋肤深度δ>磁感线通过的最大截面的最短边或直径的一半，根据
Figure FDA0002917024450000011
估计脉冲磁场频率，其中ρ为零件电阻率，f为脉冲磁场的频率。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，其特征在于，所述非铁磁性零件包含：Ti-6Al-4V、YG8。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，其特征在于，若待处理零件为有中空结构的零件，则所述脉冲磁场和零件的相对位置先使磁感线完整的通过待处理零件。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲磁场的非铁磁性粉末烧结金属零部件的改性方法，其特征在于，若待处理零件为圆柱形零件，当高径比大于1时，放置时使待处理零件的轴向与磁感线方向呈平行状态；当高径比小于1，放置时使零件的轴向与磁感线方向呈垂直状态；当高径比等于1时，放置时使待处理零件的轴向与磁感线方向呈平行状态或垂直状态。
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