CN114178788A - 一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升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表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；步骤二、去除所述熔化区域；步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。本发明通过杂质调控，选取杂质已被迁移至表层熔化区域的亚表层提纯区域进行超精密加工，从而避免金属杂质带来的表面质量缺陷，获得更高质量的加工表面。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及金属的表面加工技术，尤其是一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法。
背景技术
各类金属材料(如铝、铜、金、银及其合金等)在国民经济各个领域都有广泛的应用。例如，在光学成像中，各类反射镜保证了光源的集合与发散。空间光学遥感卫星、高分辨率光学成像等光学系统广泛使用铝、铜合金反射镜【李荣彬，张志辉，杜雪，等.自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术，机械工程学报，2010，46(11)：137-148.】，这些重要的应用需求也对金属的表面质量提出了严格的技术要求。然而，杂质不可避免的会存在于待加工金属之中，这些杂质因为膨胀系数、腐蚀性、耐酸碱性等不同，影响金属表面加工质量，在超精密加工表面高质量的需求中问题尤为凸显。去除金属内杂质，获取高纯度金属材料的时间成本、价格成本昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于金属表层区域熔炼调控提升金属表面加工质量的新方法，针对金属器件低表面粗糙度、高面形质量的表面需求以及杂质在材料的固体和液体状态中溶解度的差别，提出采用表层区域熔炼调控金属表层杂质分布的新方法来实现金属材料的高效、高精度、超光滑表面的超精密加工。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，包括如下步骤：
步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；
步骤二、去除所述熔化区域；
步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。
进一步的，步骤一所述使金属表面快速熔化的方法为激光加热、感应放电等离子体加热、热电阻加热、离子束加热的一种或两种以上方法组合使用。
进一步的，步骤一所述使金属表面为全部表面或部分表面，如果是部分表面，采用子口径局部处理的方式，如果是全部表面可采用子口径扫描处理或者整面处理的方式。
进一步的，步骤一所述快速冷却金属表面的方法为采用液氮冷却、酒精冷却、切削液冷却、去离子水冷却、压缩空气冷却中的一种或两种以上方法组合使用。
进一步的，步骤二所述去除所述熔化区域的方法采用车削、飞切、铣削、磨削、刨削、化学腐蚀的一种或两种以上方法组合。
进一步的，步骤三所述超精密加工采用超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削的一种或两种以上方法组合使用。
进一步的，在步骤一之前，对金属做预处理，使其达到去除氧化层等杂质层、暴露出基底材质的表面。
进一步的，在步骤一之前，对金属内杂质粒子成分进行元素及存在状态(化合物/单质成分/混合物)检测分析，确定表层区域熔炼深度及调控时间。
金属中的杂质在金属基体的不同温度状态下的溶解度具有显著差异(平均分配系数不同)，当平均分配系数大于1时，杂质在固态金属中的溶解度大于在熔融态金属中，杂质将不与熔区同时移动，但在提纯相变过程中受熔析析出影响，最终会在固相中富集并集中于样品的端部；当平均分配系数小于1时，杂质在固态金属中的溶解度小于在熔融态金属中，这些杂质将会随着熔区一同移动，最终被富集于样品的末端而被脱除。
本发明通过加热金属样品表面发生热效应实现表层区域的快速熔化，由于金属器件中杂质的平均分配系数不同，平均分配系数小于1的杂质会从未熔化区域向熔化区域迁移。此时采用冷却方式迅速冷却样品表面，固化杂质分布。杂质调控后，选取杂质已被迁移至表层熔化区域的亚表层提纯区域进行超精密加工，从而避免金属杂质带来的表面质量缺陷，获得更高质量的加工表面。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提供了一种高效、高精度的金属元件超光滑表面加工新方法，此方法提升了含有平均分配系数小于1杂质的金属材料的可加工性。
2、本发明采用表层区域熔炼调控辅助超精密加工的方法，可以有效实现金属元件高质量表面加工。
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为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工原理图。
图2为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工工艺过程。
图3为金属表层区域熔炼调控提升金属表面质量加工方法加工过程示意图。
图4为6061铝合金金属杂质含量检测数据及样品图。
图5为感应放电加热炬及等离子体红外测温检测图像。
图6为金属表层区域熔炼前超精密车削铝合金表面白光测量图像。
图7为金属表层区域熔炼后超精密车削铝合金表面白光测量图像。
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6061铝合金为例，采取金属表层区域熔炼辅助超精密加工的方法，提出了金属的高效、高面形精度、低表面粗糙度的加工工艺方法。本发明实施例采用子口径感应等离子体加热和超精密加工系统来实现金属表面加工。
图1为本发明采用的技术方案原理图。首先，采用包含但不限于激光加热、感应放电等离子体、热电阻加热、离子束加热金属样品表面发生热效应实现表层区域的快速熔化，使其在热作用下表面熔融，由于热源位于样件表面，形成自上而下的热梯度，这就导致了在熔炼层的杂质分布在表层富集，并且在固液交接界面平均分配系数小于1的杂质粒子会向上析出。然后通过快速冷却(如空冷、酒精冷却)等手段实现熔炼层凝固，形成平均分配系数小于1杂质梯度富集层以及富集层下的析出提纯层。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)手段加工位于杂质富集层下的杂质提纯层，显著降低了杂质对于金属表面的加工质量影响，完成高质量金属表面加工。
图2为本发明采用的主要工艺流程。首先，对金属坯料进行切割、研磨等预处理，得到金属毛坯材料；对金属胚料杂质粒子成分进行X射线衍射检测分析，确定杂质元素种类、含量，通过红外光谱/EBSD/拉曼光谱等检测分析杂质化合物性杂质官能团的组成、单质性杂质分布、进而确定各杂质的状态为化合物/单质成分/混合物及相关含量，通过文献资料确定各杂质的平均分配系数大小，根据平均分配系数与1的差距大小、杂质成分含量不同综合确定表层区域熔炼深度及调控时间，对金属毛坯进行表层区域的熔炼处理，包含但不限于激光加热、感应放电等离子体、热电阻加热、离子束加热金属样品表面发生热效应实现表层区域的快速熔炼，为增加对表面处理的精度，表面热处理可以采用子口径局部处理方式；完成热处理后可选取空冷、酒精、液氮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表层杂质调控后的金属器件的加工，此时进行表面检测，若满足加工需求则结束加工，若未满足返回熔炼步骤继续加工，直至金属样品加工质量达标。
实现该方法所需要的具体实验装置如图3所示，主要包含两大部分：
(1)金属表层区域熔炼处理装置：根据不同的金属的熔点进行选择包含但不限于激光加热、感应放电等离子体、热电阻加热、离子束加热等手段；
(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不同金属元件表层区域熔炼处理，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6061铝合金(一种常用于光学反射镜的金属材料)的表层区域熔炼辅助超精密车削的加工实验。本实施例使用感应放电等离子体加热样品表面，具体工艺参数和超精密车削参数如表1、2所示。对6061铝合金样品进行杂质检测结果如图4所示，各种杂质在铝中平均分配系数如表3所示。
使用本发明的方法可以将检测报告中除Ti、Cr的其他杂质富集至表层熔炼层中。图5显示了等离子体加热装置及加热温度检测图像。等离子体焰温度可达1000℃。使用未经过表层区域熔炼提纯样品也进行表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6、7所示。图6中未经过表层区域熔炼提纯样品后超精密车削的表面粗糙度为16.31nm(Ra)，而图7中经过表层熔炼辅助加工在相同条件下的表面粗糙度为6.56nm(Ra)。图6中的杂质粒子造成的凸起在图7中被显著降低，分布减少。这证明了表层区域熔炼可以明显提高金属元件的可加工性。并且等离子体改性时间仅为20s，效率极高。本发明适用的金属包括但不限于表4所列金属及其合金。
表1 6061铝合金表层区域熔炼处理处理参数
| 射频电源功率 | 1200W |
| 等离子体激发气体 | 1.5L/minAr |
| 等离子体冷却气体 | 20L/minAr |
| 等离子体改性时间 | 20s |
| 等离子体加工间距 | 10mm |
| 冷却方式 | 酒精冷却 |
表2 6061铝合金表面超精密车削参数
| 主轴转速 | 1000rpm |
| 每转进给 | 7μm |
| 切削深度 | 3μm |
本发明依据金属材料的物理性质，提出采用表层区域熔炼辅助超精密加工工艺加工金属材料。本发明所提出的方法可显著改善金属材料的表面加工质量。本发明不仅可用于加工金属，还可用于加工其它无机非金属材料。
表3铝中不同杂质的平均分配系数值
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti |
| 平均分配系数 | 0.093 | 0.03 | 0.15 | 0.9 | 0.5 | 2.0 | 0.4 | 8.0 |
表4可采用表层区域熔炼辅助超精密加工的金属
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 (8)
1.一种基于表层区域熔炼调控杂质分布进而提升金属表面加工质量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、使金属表面快速熔化，待平均分配系数小于1的杂质迁移至熔化区域后，快速冷却金属表面从而将杂质固化在所述熔化区域；
步骤二、去除所述熔化区域；
步骤三、在去除了熔化区域的金属表面进行超精密加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述使金属表面快速熔化的方法为激光加热、感应放电等离子体加热、热电阻加热、离子束加热的一种或两种以上方法组合使用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述金属表面为金属的全部表面或部分表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一所述快速冷却金属表面的方法为采用液氮冷却、酒精冷却、切削液冷却、去离子水冷却、压缩空气冷却中的一种或两种以上方法组合使用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二所述去除所述熔化区域的方法采用车削、飞切、铣削、磨削、刨削、化学腐蚀的一种或两种以上方法组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三所述超精密加工采用超精密车削、超精密飞切、超精密铣削、超精密磨削、超精密刨削的一种或两种以上方法组合使用。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一之前，对金属做预处理，所述预处理用于去除氧化层等杂质层、暴露出基底材质的表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一之前，对金属内杂质粒子成分进行元素检测分析及存在状态检测分析，根据分析结果确定表层区域熔炼深度及调控时间，所述元素检测分析是对杂质内元素进行定性分析，所述存在状态检测分析用于判定元素是以单质或化合物或混合物的形式存在。
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