CN113862593B - 一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法，利用等离子体中的高密度、高能活性粒子与软质金属表面亚表面材料发生热效应实现快速熔化，再冷却后形成晶粒融合改性层，该晶粒融合改性层改变了材料晶界状态，提升了材料的可加工性，有助于实现软质金属元件高质量加工。该方法可以应用于平面、曲面、及微结构加工。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及软质金属的表面加工技术，尤其是一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法。针对软质金属器件低表面粗糙度、高面形质量的表面需求以及软质金属低熔点、低硬度及高材料塑性，提出采用等离子体改性软质金属的新方法来实现软质金属材料的高效、高精度、超光滑表面的超精密加工。
背景技术
软质低熔点材料(如紫铜、锡、铅及其合金等)在国民经济各领域。例如，在软质金属微射流实验中，冲击金属材料产生的微射流是一种高速熔化的物质，对该材料加工的研究在科学仪器等有广泛应用前景；同时对冲击载荷下动态损伤机理的研究，对解决各类先进科学装置等的防护问题能提供很大的帮助。这些重要的应用需求也对软质金属的表面质量提出了严格的技术要求。
这类软质金属材料的本身特性致使其在微纳尺度加工过程极易产生塑性变形，以铅材料为例，由于铅材料的低熔点(327.4℃)、极高的材料塑性(伸长率：60-70％)和极低的硬度(布氏硬度：30Mpa)，在超精密加工过程中，软质材料更易与刀具界面间的摩擦产生粘滑现象，使得加工表面产生毛刺、划伤等微观缺陷，造成超精密加工软质材料铅时，无法形成高质量表面，无法达到精密物理实验样品要求。因此，基于表面改性的加工性能调控技术在提高软质材料抗变性能力与加工精度方面具有重要的作用。
等离子体由于其高能量、高化学活性、被广泛应用与表面改性和加工技术中。等离子体化学蒸发加工利用等离子体来激发反应气体中的活性粒子使其与工件表面原子发生化学反应，将之转变为挥发性产物，最后通过气体蒸发实现表面材料加工，可实现单晶碳化硅的粗糙度0.37nm(RMS)【Yamamura K,Takeda Y,Sakaiya S,et al.High-spatialresolution figuring by pulse width modulation controlled plasma chemicalvaporization machining.Procedia CIRP,2016,42,508-511.】。等离子体辅助抛光使用等离子体对样品表面进行处理降低表面硬度，以提升加工效率。Deng等通过使用CF4或者O2改性GaN，形成硬度降低的改性层，提升抛光效率。【Deng H,Endo K,Yamamura K.Plasma-assisted polishing of gallium nitride to obtain a pit-free and atomicallyflat surface[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2015,64(1):531-534】通过O2等离子体处理CFRPs碳纤维表面，可显著增加结合层的附着力【Kim J W,MauchaufféR,Kim D Y,et al.Mechanism study of atmospheric-pressure plasma treatment ofcarbon fiber reinforced polymers for adhesion improvement.Surface andCoatings Technology,2020,393,125841】。然而，将等离子体改性应用于软质金属及其合金的超精密加工，目前尚没有相关的文献报导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的新方法，能够在软质金属元件上加工出低粗糙度和高面形精度表面。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法，其特征在于：
利用等离子体中的高密度、高能活性粒子与软质金属表面亚表面材料发生热效应实现快速熔化，再冷却后形成晶粒融合改性层，该晶粒融合改性层改变了材料晶界状态，提升了材料表面硬度。
而且，所述软质金属为莫氏硬度≤3，熔点≤1200℃的金属。
而且，所述软质金属包括铅、锡、锌、镁、银、金、铝或铜。
而且，所述的等离子体加工工艺参数为：所述的等离子体加工工艺参数为：射频电源功率13.56MHz-2.45GHz、等离子体改性气体采用氦气或氩气或氮气或氧气或双氧水等、等离子体冷却气体采用氮气或氩气。等离子体改性工艺参数对超精密加工表面形貌有较大影响，通过筛选合适的参数，可以保证软质金属高面形精度、低表面粗糙度，最终形成高效、高精度加工工艺。
而且，所述冷却采用空冷或乙醇喷涂或液氮冷却或水冷的一种或两种以上方式的组合，但不限于这些冷却方式，冷至加工所需温度。
而且，所述表面加工为超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削以及超精密抛光的一种或两种以上加工方式的组合，但不限于这些加工方法。
而且，在实施等离子体改性处理前，对软质金属进行预处理，去除表面氧化层。
而且，针对不同尺寸的样件等离子体表面处理采用子口径局部处理方式或者整面处理的方式。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提供了一种高效、高精度的软质金属元件超光滑表面加工新方法。此方法提升了软质金属材料的可加工性。
2、本发明采用等离子体熔融改性辅助超精密加工的方法，可以有效实现软质金属元件高质量加工。
3、本发明所提出的方法，不但可以应用于平面加工，也可以应用于曲面加工、微结构加工。
附图说明
图1为等离子体改性提升软质金属表面质量加工方法加工原理图。
图2为等离子体改性提升软质金属表面质量加工方法加工工艺过程。
图3为等离子体改性提升软质金属表面质量加工方法加工过程示意图。
图4为等离子体改性炬及等离子体原子发生光谱检测图像。
图5为等离子体改性前多晶锡EBSD表征晶粒图。
图6为等离子体改性后多晶锡EBSD表征晶粒图。
图7为等离子体改性后多晶锡超精密车削白光测量图像。
图8为多晶锡超精密车削白光测量图像。
图9为软质金属等离子体改性装置示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明以多晶锡为例，采取等离子改性辅助超精密加工的方法，提出了软质金属的高效、高面形精度、低表面粗糙度的加工工艺方法。本发明采用子口径等离子体改性和超精密加工系统来实现晶体表面修形加工。
图1为本发明采用的技术方案原理图。首先，采用等离子体表面处理改性的方法，对软质金属进行表面改性，使其在等离子体作用下表面熔融，然后通过快速冷却(如空冷、酒精冷却)等手段实现熔融层凝固并形成改性层，改性层的晶粒发生融合，晶界状态得到调制，硬度提升。再配合后续表面加工(如超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削等)手段完成高质量软质金属表面加工。
图2为本发明采用的主要工艺流程。首先，对软质金属坯料进行切割、研磨等预处理，得到软质金属毛坯材料；对软质金属毛坯进行等离子体表面改性处理，将激发等离子体所需的氦气/氩气通入等离子体矩管中，使用直流/交流电源激发放电产生等离子体，使用等离子体激发后产生的高温射流处理样品表面，为增加对表面处理的精度，等离子体表面处理可以采用子口径局部处理方式；等离子体改性后可选取空冷、酒精浸泡等冷却方式对工件进行降温处理；根据具体的结构需求，选择合适的超精密加工手段完成对等离子体改性后的软质金属器件的加工。
实现该方法所需要的具体实验装置，主要包含两大部分：
(1)等离子体改性表面处理装置：如图9所示，包括等离子体发生装置、等离子体炬/等离子体发生舱1、数控移动平台2，所述等离子体发生装置包括射频电源3及其射频电源匹配器4、激发气体瓶6及其流量控制器5，该装置可以通过数控移动，对加工表面进行子孔径表面改性以提升加工可控性；
(2)超精密加工装置：根据不同的表面加工结构需求进行选择，包含但不限于超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削等手段。
本发明借助上述实验装置实现。
本发明的主要技术难点在于对软质金属元件等离子体改性加工处理，使用超精密车削加工等具有成熟的技术手段。为了验证此方法的可行性，进行了多晶锡(Sn，一种典型的软质金属)的等离子体改性辅助超精密车削的加工实验。等离子体改性加工具体工艺参数和超精密车削参数如表1、2所示。图4显示了软质金属元件等离子体改性激发及原子发射光谱检测图像。在原子发射光谱的600-800nm多处观测的峰值均是等离子体激发气体Ar峰值。图5、图6为等离子体改性前后多晶锡表面EBSD表征图像。通过对比可以发现晶粒大小明显增大，在等离子体改性后出现晶粒融合的现象。使用未经过等离子体改性的锡样品也进行表2的超精密车削实验，分别对表面进行白光干涉仪观察，获得表面粗糙度信息。其结果如图7、8所示。图7中等离子体改性后超精密车削的表面粗糙度为1.00nm，而图8中未经过改性的锡在相同条件下的表面粗糙度为10.68nm。这证明了等离子体改性可以明显提高软质金属元件的可加工性。并且等离子体改性时间仅为3s，改性效率极高。本发明适用的软质低熔点金属包括但不限于表3所列金属及其合金。
表1多晶锡表面等离子体改性处理参数
| 射频电源功率 | 950W |
| 等离子体改性气体 | 1.5L/minAr |
| 等离子体冷却气体 | 20L/minAr |
| 等离子体改性时间 | 3s |
| 等离子体加工间距 | 15mm |
| 冷却方式 | 酒精冷却 |
表2多晶锡表面超精密车削参数
| 主轴转速 | 2000rpm |
| 进给量 | 3.6mm/min |
| 切削深度 | 0.6μm |
表3可采用等离子体辅助改性的软质低熔点金属
本发明依据软质金属材料的物理性质，提出采用等离子体改性辅助超精密加工工艺加工软质金属材料。本发明所提出的方法可显著改善软质金属材料的表面加工质量。本发明不仅可用于加工软质金属，还可用于加工其它金属材料。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法，其特征在于：
利用等离子体中的高密度、高能活性粒子与软质金属表面亚表面材料发生热效应实现快速熔化，再冷却后形成晶粒融合改性层，该晶粒融合改性层的晶粒发生融合，晶粒尺寸增大，晶界状态得到调制，提升了材料的可加工性，所述表面加工为超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削以及超精密抛光的一种或两种以上加工方式的组合，所述软质金属为铅、锡、锌、镁、银、金、铝或铜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的等离子体加工工艺参数为：射频电源功率13.56MHz-2.45GHz，等离子体改性气体采用氦气或氩气或氮气或氧气或双氧水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷却包括空冷或乙醇喷涂或液氮冷却或水冷的一种或两种以上方式的组合，冷至加工所需温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在实施等离子体改性处理前，对软质金属进行预处理，去除表面氧化层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对不同尺寸的样件等离子体表面处理采用子口径局部处理方式或者整面处理的方式。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可对样件进行多次不同功率、不同加工时间的等离子体改性处理调制。
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