CN116065009B - 一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法及装置 - Google Patents

一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温爆炸硬化制备梯度硬化金属材料的方法及装置，属于梯度硬化材料技术领域。在静爆场地上自下而上依次放置耐热板、加热板和黑色金属板材，以20℃/min~40℃/min的升温速率通过加热板将黑色金属板材加热至软化温度以上且热稳定温度以下，保温1min~2min，保温结束后，将压装好的高爆速炸药置于炸药框中并将炸药框放置在黑色金属板材表面，起爆炸药对黑色金属进行冲击处理，得到一种梯度硬化的黑色金属板材。材料热软化后将会有效抑制裂纹产生，之后再立即进行爆炸硬化可以使得材料在产生较大塑性变形产生更好的硬化效果。

Description

一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高温爆炸硬化制备梯度硬化金属材料的方法及装置，属于梯度硬化材料技术领域。
背景技术
爆炸硬化处理是一种利用直接敷设在金属表面上的炸药爆炸产生冲击波使金属塑性变形，从而提高金属表面硬度及耐磨性的表面处理技术。但是对于维氏硬度在200Hv以上的黑色金属材料进行爆炸处理时，会使样品发生开裂。目前对于较硬黑色金属材料的表面硬化处理技术，主要通过在表面增加一层较硬涂层处理，如化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法和薄膜浸渗成型法等。但是这些方法形成的硬质涂层存在和基体结合强度不高，容易脱粘等问题，且工艺繁琐、设备成本高、工艺不稳定、利用率低、废品率高等。采用表面梯度塑性变形技术，如喷丸强化，激光冲击强化等，则较难再将样品进行梯度硬化，并且有时会致使样品开裂，使得废品率较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法及装置。通过先将金属板材加热到一定温度，使得材料在高温条件下塑性变好，之后进行爆炸硬化处理，将会有效抑制裂纹发生，并且在产生较大的应变硬化效果。
一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，方法步骤包括：
在静爆场地上自下而上依次放置耐热板、加热板和黑色金属板材，以20℃/min~40℃/min的升温速率通过加热板将黑色金属板材加热至软化温度以上且热稳定温度以下，保温1min~2min，保温结束后，将压装好的高爆速炸药置于炸药框中并将炸药框放置在黑色金属板材表面，起爆炸药对黑色金属进行冲击处理，得到一种梯度硬化的黑色金属板材；其中，所述黑色金属板材的维氏硬度大于等于200Hv；所述高爆速炸药的爆速大于等于7000m/s。
优选的，所述黑色金属板材为30钢，加热温度为100℃~400℃。
优选的，加热板加热时，所述黑色金属板材上加盖耐热保温布。更优选的，所述耐热保温布的材质为石棉布。
优选的，所述耐热板的材质为硅酸铝。
优选的，所述加热板为陶瓷加热板。
优选的，所述炸药框的材质为不锈钢。更优选为304不锈钢。
优选的，所述高爆速炸药为可铸粉状炸药、塑性板状炸药或橡胶板状炸药。更优选的，所述高爆速炸药为C4炸药。
优选的，所述耐热板的厚度、加热板的厚度、黑色金属板材的厚度和炸药的厚度比值为15mm~20mm:5mm~10mm:5mm~100mm:3mm~5mm。
优选的，所述黑色金属板材的表面积＜加热板的表面积＜耐热板的表面积，黑色金属板材边界距离加热板边界的距离为10cm~15cm，加热板边界距离耐热板边界的距离为10cm~15cm。
优选的，所述冲击处理重复1次~3次。
一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的装置，所述装置适用于上述方法，包括耐热板、加热板、加热控温部件、装有高爆速炸药的炸药框、雷管、龙门架和耐高温绳索，其中，加热板放置在耐热板上，加热板外接接线柱并通过加热线与加热控温部件连接，龙门架的顶部设有滑轮，耐高温绳索的一端与炸药框连接，另一端穿过滑轮将炸药框悬于加热板上方；雷管设置在高爆速炸药的一端且与起爆器连接；使用时，将黑色金属板材放置在加热板，炸药框吊起远离黑色金属板材，加热控温部件加热加热板至黑色金属板材温度达到目标温度并保温结束后，将炸药框放置于黑色金属板材表面，连接雷管与起爆器，起爆高爆速炸药实现对黑色金属板材的冲击处理。
优选的，所述黑色金属板材的边角沿竖直方向均开孔，孔内插入不锈钢棒，黑色金属板材侧面设有螺纹孔，螺纹孔内插有热电偶；不锈钢棒的顶部与炸药框定位配合。
优选的，所述龙门架材质为方钢管。
有益效果
本发明提供了一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，首先通过加热板将板材进行加热，再放置炸药进行爆炸硬化。加热温度低于黑色金属板材的热稳定温度，黑色金属板材的微结构不会受温度的影响而变化，进而不会影响硬化效果；加热后材料在高温条件下会软化，并且材料热软化后可有效抑制裂纹产生，降低硬化过程的废品率；之后再立即进行爆炸硬化可以使得材料在产生较大塑性变形产生更好的硬化效果。所述方法制得的梯度硬化黑色金属材料可以通过改变炸药厚度、硬化次数来设计，材料尺寸可自由设计，可制备大尺寸的梯度硬化材料，具有成本低廉、工艺性稳定、可控性好、制备效率高，废品率低等一系列优点。对于较硬金属材料梯度硬化的开发和应用具有重要的理论意义和实用价值。
本发明提供了一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的装置，采用吊起炸药并且准确定位放置到试样表面的方式，有效避免了加热过程对炸药的影响，避免了炸药提前爆炸影响硬化效果。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图。
其中，1-耐热板，2-加热板，3-黑色金属板材，4-热电偶，5-接线柱，6-加热线，7-加热控温部件，8-不锈钢棒，9-高爆速炸药，10-炸药框，11-雷管，12-滑轮，13-龙门架，14-耐高温绳索。
图2为实施例1中300℃高温硬化后30钢的硬度沿深度方向分布。
图3为对比例1中常温硬化后30钢的硬度沿深度方向分布。
图4为对比例2中600℃常温硬化后30钢的硬度沿深度方向分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。附图和描述在本质上是说明的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
以下实施例和对比例中：
（1）高温爆炸硬化装置图示意图：采用Micro-software PowerPoint软件制图；
（2）硬度测试：采用型号为FM-700的显微维氏硬度计，测试条件为：压力2.4N，保压时间为15s。
（3）30钢板材试样厚度为10mm，板幅尺寸为100mm×100mm；高爆速炸药为C4炸药，厚度为4mm；加热板为陶瓷加热板，厚度为10mm；所述耐热保温布的材质为石棉布；所述耐热板的材质为硅酸铝，厚度为20mm；所述炸药框的材质为304不锈钢；黑色金属板材边界距离加热板边界的距离为10cm，加热板边界距离耐热板边界的距离为10cm。
（4）如图1所示，一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的装置，包括耐热板1、加热板2、加热控温部件7、装有高爆速炸药9的炸药框10、雷管11、龙门架13和耐高温绳索14，其中，加热板2放置在耐热板1上，加热板2外接接线柱5并通过加热线6与加热控温部件7连接，龙门架13的顶部设有滑轮12，耐高温绳索14的一端炸药框连10接，另一端穿过滑轮12将炸药框10悬于加热板2上方；雷管11设置在高爆速炸药9的一端且与起爆器连接；使用时，将黑色金属板材3放置在加热板2，炸药框10吊起远离黑色金属板材3，加热控温部件7加热加热板2至黑色金属板材3温度达到目标温度并保温结束后，将炸药框10放置于黑色金属板材3表面，起爆对黑色金属板材3的冲击处理。
所述黑色金属板材3的边角沿竖直方向均开孔，孔内插入不锈钢棒8，黑色金属板材3侧面设有螺纹孔，螺纹孔内插有热电偶4；不锈钢棒8的顶部与炸药框10定位配合，用胶带将炸药和炸药框固定，炸药框四周有伸出余量，用于和四根不锈钢细棒定位。
所述龙门架13材质为方钢管。
实施例1
步骤一、在静爆场地组装装置；
步骤二、先将炸药框吊起至距离30钢试样1米高距离，将热电偶和加热线连接到加热控温部件上；
步骤三、将提前准备好的带拉绳的耐热布盖到试样上，用于保温试样，避免加热过程中热耗散太快；
步骤四、开启加热控温部件开关，进行加热，目标温度300℃，升温速率为30℃/min，试样温度达到300℃后保温1分钟；
步骤五、保温完成后，用拉绳拉开耐热保温布，放下炸药框，当炸药贴合试样表面时，立即起爆雷管，进行冲击处理。
步骤六、回收硬化完的试样，得到一种梯度硬化黑色金属板材。
得到的高温硬化后30钢试样的表面无裂纹，硬化后的30钢试样的硬度沿深度分布图如图2所示，300℃高温硬化后，硬度随深度方向呈梯度分布，最大硬度为360Hv，相较于初始30钢硬度（290Hv）提升了24.1%，表现出了较好的硬化效果。30钢的热稳定温度是小于400℃，在400℃以下30钢的微结构不会发生变化，硬化后距离硬化层较远的基体硬度不会发生变化。
实施例2
本实施例中加热目标温度为200℃，加热到200℃时保温1分钟，其余同实施例1。
得到的高温硬化后30钢试样的表面无裂纹，硬化后的30钢试样的硬度随深度方向呈梯度分布且基体硬度并未发生明显变化，表现出了较好的硬化效果。
实施例3
本实施例中加热目标温度为350℃，加热到350℃时保温1分钟，其余同实施例1。
得到的高温硬化后30钢试样的表面无裂纹，硬化后的30钢试样的硬度随深度方向呈梯度分布且基体硬度并未发生明显变化，表现出了较好的硬化效果。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于：不进行加热，直接对样品在常温下进行硬化。
得到的常温硬化后30钢试样的表面产生微裂纹，硬化后的30钢试样的硬度随深度方向呈梯度分布，最大硬度为310Hv，相较于初始30钢硬度（290Hv）提升了6.8%，因此直接进行常温硬化，硬化效果较差。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于：加热目标温度为600℃，加热到600℃时，保温1分钟。
得到的高温硬化后30钢试样的表面无裂纹，硬化后的30钢样品的硬度随深度方向呈梯度分布，最大硬度为352Hv，相较于初始30钢硬度（290Hv）虽然提升了20.7%，但基体硬度从290Hv降低到270Hv，这是因为30钢的热稳定温度是小于400℃，高于400℃时，30钢的微结构会发生变化，使得样品远离硬化表面的基体硬度降低。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：方法步骤包括：
在静爆场地上自下而上依次放置耐热板、加热板和黑色金属板材，以20℃/min~40℃/min的升温速率通过加热板将黑色金属板材加热至软化温度以上且热稳定温度以下，保温1min~2min，保温结束后，将压装好的高爆速炸药置于炸药框中并将炸药框放置在黑色金属板材表面，起爆炸药对黑色金属进行冲击处理，得到一种梯度硬化的黑色金属板材；其中，所述黑色金属板材的维氏硬度大于等于200Hv；所述高爆速炸药的爆速大于等于7000m/s；
所述黑色金属板材为30钢，加热温度为100℃~400℃。
2.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：加热板加热时，所述黑色金属板材上加盖耐热保温布。
3.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述耐热板的材质为硅酸铝；所述加热板为陶瓷加热板；所述炸药框的材质为不锈钢。
4.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述高爆速炸药为可铸粉状炸药或塑性板状炸药。
5.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述高爆速炸药为橡胶板状炸药。
6.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述耐热板的厚度、加热板的厚度、黑色金属板材的厚度和炸药的厚度比值为15mm~20mm:5mm~10mm:5mm~100mm:3mm~5mm。
7.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述黑色金属板材的表面积＜加热板的表面积＜耐热板的表面积，黑色金属板材边界距离加热板边界的距离为10cm~15cm，加热板边界距离耐热板边界的距离为10cm~15cm。
8.如权利要求1所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的方法，其特征在于：所述冲击处理重复1次~3次。
9.一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的装置，其特征在于：所述装置适用于权利要求1所述方法，包括耐热板（1）、加热板（2）、加热控温部件（7）、装有高爆速炸药（9）的炸药框（10）、雷管（11）、龙门架（13）和耐高温绳索（14），其中，加热板（2）放置在耐热板（1）上，加热板（2）外接接线柱（5）并通过加热线（6）与加热控温部件（7）连接，龙门架（13）的顶部设有滑轮（12），耐高温绳索（14）的一端与炸药框（10）连接，另一端穿过滑轮（12）将炸药框（10）悬于加热板（2）上方；雷管（11）设置在高爆速炸药（9）的一端且与起爆器连接；使用时，将黑色金属板材（3）放置在加热板（2），炸药框（10）吊起远离黑色金属板材（3），加热控温部件（7）加热加热板（2）至黑色金属板材（3）温度达到目标温度并保温结束后，将炸药框（10）放置于黑色金属板材（3）表面，连接雷管（11）与起爆器，起爆高爆速炸药（9）实现对黑色金属板材（3）的冲击处理。
10.如权利要求9所述的一种高温爆炸硬化制备梯度硬化黑色金属板材的装置，其特征在于：所述黑色金属板材（3）的边角沿竖直方向均开孔，孔内插入不锈钢棒（8），黑色金属板材（3）侧面设有螺纹孔，螺纹孔内插有热电偶；不锈钢棒（8）的顶部与炸药框（10）定位配合；所述龙门架（13）材质为方钢管。
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