CN114941064A - 一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，具体包括以下步骤：S1：对船用钢的原始棒料进行表面预处理，去除表层氧化皮，获得光整的加工表面；S2：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，对棒料进行超声滚压表面处理。本发明的技术方案通过高频振动以及塑性变形产生细晶强化作用，使表层显微硬度提高并获得大深度的加工硬化层；同时，该表面处理方法也会重构表面应力分布状态，产生残余压应力，最终有效提高船用钢在低温下的力学性能。本方法工艺简单，加工效率提升明显，加工成本低廉，能够强化低温船用钢在极地环境的使役性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料机械加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法。
背景技术
国内的造船用钢主要为低合金高强度钢，由于其强度高、低温韧性良好、焊接性能好以及低成本等特征，已经成为船舶制造及海洋工程领域不可或缺的材料之一。近年来，随着极地装备及低温压力容器的发展，对低温船用钢的需求更为紧迫。由于极地地区温度较低且具有更加复杂恶劣的环境，因此对船用钢在低温环境中的力学性能要求也越来越高。但目前针对船用钢的性能强化多局限于改良生产工艺和优化成分上，采用表面处理来强化船用钢低温力学性能的研究较少。
超声滚压技术作为新兴的表面强化技术，具有显著提高表面质量、工艺简单、节能环保和效率高等优点，在汽车行业、齿轮制造业和航空航天等领域都得到了广泛应用。相对于激光抛光和激光喷丸技术，超声滚压技术的加工成本更加低廉，设备维护十分方便，加工过程中的精度控制也更加容易。因此采用超声滚压表面强化技术对船用钢低温力学性能进行强化处理具有良好的应用前景。
发明内容
根据上述提出船用钢在极地低温及复杂环境中需要具备更高的力学性能要求，以及采用表面处理来强化船用钢低温力学性能的研究具有良好的应用前景，而提供一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，主要通过对船用钢材料表面进行超声滚压加工，通过高频振动以及塑性变形产生细晶强化作用，使表层显微硬度提高并获得大深度的加工硬化层；同时，该表面处理方法也会重构表面应力分布状态，产生残余压应力，最终有效提高船用钢在低温下的力学性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，具体包括以下步骤：
S1：对船用钢的原始棒料进行表面预处理，去除表层氧化皮，获得光整的加工表面；
S2：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，对棒料进行超声滚压表面处理。
进一步地，所述船用钢为FH36船用钢。
进一步地，步骤S1中表面预处理采用车削加工。
进一步地，步骤S1进行表面预处理后棒料的表面粗糙度不超过Ra3.6μm，以满足超声滚压表面处理的要求。
进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，调整棒料在机床上的平行度并开启机床，使棒料进行旋转运动；
S22：开启超声滚压设备，设定超声滚压静压力、主轴转速和振幅的具体数值，通过调整超声滚压工具头的中心位置使其与棒料表面接触，之后利用超声滚压工具头沿棒料轴向方向进行多道次的超声滚压表面处理，在超声滚压工具头进行运动的同时始终保持润滑油的供给，用于冷却和润滑棒料和超声滚压工具头。
进一步地，超声滚压静压力的设定范围为100-300N，主轴转速的设定范围为96-382r/min，超声滚压处理的道次为1-3次，超声滚压输出的振幅为1-5μm。
进一步地，超声滚压工具头为硬质合金滚柱。
进一步地，超声滚压设备的超声频率为30kHz。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的强化船用钢低温力学性能的超声滚压表面处理方法，属于无切屑光整加工方式，相对于激光抛光和激光喷丸技术，超声滚压技术的加工成本更加低廉，设备维护十分方便，加工过程中的精度控制也更加容易，除此之外，超声滚压表面处理后试样的表面质量显著提高，不需要后续的精磨、抛光、研磨等冗杂工艺，可以直接满足加工要求，从而降低了多道工序的复杂性与高成本，提高了加工效率。
2、本发明提供的强化船用钢低温力学性能的超声滚压表面处理方法，通过细晶强化作用，使船用钢的低温力学性能得到提高。相比于改良生产工艺、优化成分等工艺复杂、适用范围小的通用方法来提高船用钢的力学性能，本处理方法工艺简单，加工效率提升明显，加工成本低廉，能够有效强化低温船用钢在极地环境的使役性能。
基于上述理由本发明可在金属材料机械加工领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为对比例1与实施例1、2、3的FH36船用钢显微硬度变化趋势图。
图2为对比例1与实施例1、2、3的FH36船用钢残余应力变化趋势图。
图3为对比例1的FH36船用钢表层晶粒EBSD图。
图4为实施例2的FH36船用钢表层晶粒EBSD图。
图5为对比例1与实施例2的FH36船用钢在-30℃和-60℃的应力-应变曲线图。
图6(a)、(b)分别为对比例1与实施例2的FH36船用钢在-30℃拉伸断口形貌图。
图7(a)、(b)分别为对比例1与实施例2的FH36船用钢在-60℃拉伸断口形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
本发明提供了一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，具体包括以下步骤：
S1：对船用钢的原始棒料进行表面预处理，去除表层氧化皮，获得光整的加工表面；
S2：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，对棒料进行超声滚压表面处理。
进一步地，所述船用钢为FH36船用钢。
进一步地，步骤S1中表面预处理采用车削加工。
进一步地，步骤S1进行表面预处理后棒料的表面粗糙度不超过Ra3.6μm，以满足超声滚压表面处理的要求。
进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，调整棒料在机床上的平行度并开启机床，使棒料进行旋转运动；
S22：开启超声滚压设备，设定超声滚压静压力、主轴转速和振幅的具体数值，通过调整超声滚压工具头的中心位置使其与棒料表面接触，之后利用超声滚压工具头沿棒料轴向方向进行多道次的超声滚压表面处理，在超声滚压工具头进行运动的同时始终保持润滑油的供给，用于冷却和润滑棒料和超声滚压工具头。
进一步地，超声滚压静压力的设定范围为100-300N，主轴转速的设定范围为96-382r/min，超声滚压处理的道次为1-3次，超声滚压输出的振幅为1-5μm。
进一步地，超声滚压工具头为硬质合金滚柱。
进一步地，超声滚压设备的超声频率为30kHz。
进一步地，进行超声滚压表面处理后的棒料表层发生塑性变形，产生细晶强化作用，获得大深度的加工硬化层和残余压应力，且提高船用钢低温下的抗拉强度和屈服强度。
对金属材料的表面进行预处理(如车削加工)后，利用超声滚压设备对预处理后的金属材料表面进行多道次的超声滚压加工，通过高频振动以及塑性变形产生细晶强化作用，使表层显微硬度提高并获得大深度的加工硬化层，同时，该表面处理方法也会重构表面应力分布状态，产生残余压应力，最终有效提高船用钢在低温下的力学性能。
本发明采用的超声滚压技术，属于无切屑光整加工方式，相对于激光抛光和激光喷丸技术，超声滚压技术的加工成本更加低廉，设备维护十分方便，加工过程中的精度控制也更加容易，除此之外，超声滚压表面处理后试样的表面质量显著提高，不需要后续的精磨、抛光、研磨等冗杂工艺，可以直接满足加工要求。从而降低了多道工序的复杂性与高成本，提高了加工效率。
现有技术中通过改良生产工艺、优化成分来提高船用钢力学性能的强化方法，其工艺复杂性更高，适用范围较小，而本发明提供的表面处理方法则是对材料进行表面强化，通过细晶强化作用，使试样的低温力学性能提高，本发明提供的表面处理方法工艺简单，加工效率提升明显，加工成本低廉，能够强化低温船用钢在极地环境的使役性能。
下面结合具体实例对本发明所述表面处理方法进行进一步说明，并结合对比例1说明本发明所述表面处理方法取得的技术效果：
实施例1
本实施例选择尺寸为Φ40×400mm的FH36船用钢作为试验材料，采用本发明提供的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法进行处理，具体包括以下步骤：
S1：对棒料进行车削加工，去除表层氧化皮，获得光整的加工表面；
S2：将步骤S1进行车削加工后的棒料固定在机床上，对棒料进行超声滚压表面处理；
步骤S2具体包括以下步骤：
S21：将步骤S1进行车削加工后的棒料固定在机床上，调整棒料在机床上的平行度并开启机床，使棒料进行旋转运动；
S22：开启超声滚压设备，设定输出振幅为3μm；主轴转速为191r/min，对超声滚压工具头施加100N的超声滚压静压力并调整位置使其顶住棒料表面，使超声滚压工具头沿棒料轴向方向进行3次超声滚压表面处理，超声滚压工具头为硬质合金滚柱，在超声滚压工具头进行运动的同时始终保持润滑油的供给，用于冷却和润滑棒料和超声滚压工具头。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别仅在于步骤S22进行3次超声滚压表面处理的静压力均设定为200N。
实施例3：
实施例3与实施例1的区别仅在于步骤S22进行3次超声滚压表面处理的静压力均设定为300N。
对比例1：
对比例1选择尺寸为Φ40×400mm的FH36船用钢，与实施例1采用同样的表面预处理工艺，即车削加工，去除表层氧化皮，获得光整的加工表面，作为原始试样。
对实施例1、2、3和对比例1处理得到的棒料进行以下测试：
1、显微硬度
经车削加工的表面预处理后，试样距表面30μm处的显微硬度为196HV0.1，加工硬化层深度为180μm(对比例1)。经过静压力100N的超声滚压表面处理后，试样距表面30μm处的显微硬度为219HV0.1，加工硬化层深度为580μm(实施例1)；经过静压力200N的超声滚压表面处理后，试样距表面30μm处的显微硬度为241HV0.1，加工硬化层深度为730μm(实施例2)；经过静压力300N的超声滚压表面处理后，试样距表面30μm处的显微硬度为257HV0.1，加工硬化层深度为680μm(实施例3)。可以看出，相比于仅进行车削加工的表面预处理，超声滚压表面处理后的表层显微硬度显著提高，如图1所示。
2、残余应力
经车削加工的表面预处理后，试样的表层残余应力表现为残余拉应力与残余压应力(对比例1)。经超声滚压表面处理后，试样的残余应力完全转变为残余压应力，最大值分别为262MPa、303MPa和327MPa(实施例1、2、3)，如图2所示。
3、微观组织
以静压力200N为例(实施例2)，相比于仅进行车削加工的表面预处理试样(对比例1)，经超声滚压表面处理后，试样表层的晶粒尺寸明显减小，产生晶粒细化现象。如图3-4所示，经EBSD测量统计，对比例1的表层平均晶粒尺寸约为10.92μm，实施例2的表层平均晶粒尺寸约为5.86μm，可以看到，超声滚压表面处理方法可以明显细化材料表层微观组织，产生细晶强化作用。
4、低温应力-应变曲线
低温应力-应变曲线是在直径10mm的标准拉伸试样下测试得到。以静压力200N为例(实施例2)，相比于仅进行车削加工的表面预处理试样(对比例1)，在-30℃下经超声滚压表面处理后试样的屈服强度由385MPa提升至397MPa，抗拉强度由573MPa提高到585MPa；在-60℃下经超声滚压表面处理后试样的屈服强度由404MPa提升至432MPa，抗拉强度由602MPa提高到610MPa。两种试样的低温应力-应变曲线如图5所示，力学性能测试结果如表1所示，可以看到，对于抗拉强度，在-30℃下超声滚压表面处理的强化效果比较好，材料的断裂抗力更大；对于屈服强度，在-60℃下超声滚压表面处理的强化效果最好，材料抵抗永久变形的能力最强。因此，本发明提供的表面处理方法既能够满足在极地区域平均温度下对船用钢力学性能的要求，也能够在极端温度下具备良好的强化效果。
表1FH36船用钢低温力学性能测试结果
5、断口形貌
如图6-7所示，以静压力200N为例(实施例2)，相比于仅进行车削加工的表面预处理试样(对比例1)，俩种试样在低温-30℃和-60℃下试样的断口均由韧窝和撕裂棱构成，表现为典型的韧性断裂特征。不同之处在于超声滚压表面处理后，试样在断口表面分布的韧窝尺寸较小，数量也有一定程度的减少，宏观表现为断后伸长率的降低，但仍保持一个较为稳定的数值。因此，超声滚压表面处理后试样在低温下仍具有良好的塑性，满足在极地区域应用的性能要求。
综上可知，本发明提供的表面处理方法可以提升FH36船用钢的低温力学性能，这主要是因为超声滚压表面处理方法可以显著细化表层晶粒，通过高频振动以及塑性变形产生细晶强化作用进而提高表层显微硬度，获得更深的加工硬化层；同时，该表面处理方法也会重构表面应力分布状态，获得更高的表面残余压应力，使材料低温力学性能提高。本发明提供的表面处理方法不仅适用于船用钢材料，还可以通过调节合适的工艺参数来对其他金属材料(如不锈钢、铝合金、钛合金等)进行表面处理，具备广泛的材料适用范围。同时，由于该方法中的表面预处理方式不只局限于车床上的车削加工，还可以使用其他表面预处理方式。因此也在一定程度上提高了该表面处理方法的应用范围与场合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：对船用钢的原始棒料进行表面预处理，去除表层氧化皮；
S2：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，对棒料进行超声滚压表面处理。
2.根据权利要求1所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，所述船用钢为FH36船用钢。
3.根据权利要求1所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，步骤S1中表面预处理采用车削加工。
4.根据权利要求1所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，步骤S1进行表面预处理后棒料的表面粗糙度不超过Ra3.6μm。
5.根据权利要求1所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：将步骤S1进行表面预处理后的棒料固定在机床上，调整棒料在机床上的平行度并开启机床，使棒料进行旋转运动；
S22：开启超声滚压设备，设定超声滚压静压力、主轴转速和振幅的具体数值，通过调整超声滚压工具头的中心位置使其与棒料表面接触，之后利用超声滚压工具头沿棒料轴向方向进行多道次的超声滚压表面处理，在超声滚压工具头进行运动的同时始终保持润滑油的供给，用于冷却和润滑棒料和超声滚压工具头。
6.根据权利要求5所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，超声滚压静压力的设定范围为100-300N，主轴转速的设定范围为96-382r/min，超声滚压处理的道次为1-3次，超声滚压输出的振幅为1-5μm。
7.根据权利要求5所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，超声滚压工具头为硬质合金滚柱。
8.根据权利要求5所述的强化船用钢低温力学性能的表面处理方法，其特征在于，超声滚压设备的超声频率为30kHz。
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