[发明专利]一种高硬度材料表面处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种高硬度材料表面处理方法及装置，以消除材料表面残余拉应力，形成压应力层；并细化其表面晶粒，改善其力学性能。所述高硬度材料一般是指硬度大于55HRC的材料，如金属材料或金属复合材料等。

背景技术

在金属/金属复合材料热加工(铸、锻、焊、熔覆、喷涂等)过程中，由于温度循环和焊接材料与基体材料热物理参数不同，通常会在其表面产生残余拉应力，并导致热影响区组织粗大。此外，金属零件在冷加工(车、铣、刨、磨等)过程中，由于塑性变形的不均匀性，也会在其表面形成残余应力。

不同性质的残余应力会对金属零件的性能产生迥然不同的影响。其中，残余拉应力会严重降低金属零件的力学性能如耐磨性能和疲劳强度等，严重时甚至会导致其开裂。而残余压应力则通常会提高金属零件的使用性能。因此，需要寻找和开发一种新的工艺方法及装置，对加工后的金属零件表面进行处理，一方面消除残余拉应力，并在材料表面形成压应力层，改善其应力状态；另一方面细化晶粒，提高其力学性能。

超声冲击(Ultrasonic Impact Treatment,UIT)是一种高效的金属表面处理方法。其利用高频振动的冲击针高速撞击材料表面，使其产生塑性变形，改变原有应力场，从而降低或消除金属表面残余拉应力，甚至引入一定幅值的压应力，并使工件表面被冲击部位得以强化。

中国发明专利[CN 101492759A]公布了一种抗应力腐蚀开裂的超声冲击处理工艺。该方法采用超声冲击处理工件表面焊缝区，并有效地在其表面预置一定幅值的残余压应力，有效地提高了其抗应力腐蚀开裂能力。此外，中国发明专利[CN 103343205 A]公布了一种采用超声冲击控制Fe基熔修层热裂及残余应力的方法。该方法可以有效抑制焊缝热裂纹，细化焊缝表面晶粒并使得焊缝残余应力下降80％以上。

材料表面的塑性变形能力是决定超声冲击效果的关键性因素。塑性变形能力越强，超声冲击层越深，效果越好。现有的超声冲击处理直接对室温或加工后的材料表面进行处理。由于材料在室温下硬度相对较高，塑性变形能力相对较低，因此，超声冲击的效果有限。特别对于金属化合物基复合材料和金属陶瓷复合材料等硬度较高(＞55HRC)的材料，室温下进行超声冲击处理的效果并不理想。

发明内容

本发明提供了一种高硬度材料表面处理方法及装置，目的在于一方面消除材料表面残余拉应力，并预置一定幅值的压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高硬度材料表面处理方法，该方法采用感应线圈对待处理材料表面进行加热，并使加热温度保持在待处理材料的再结晶温度以下，在提高其塑性变形能力的同时，防止回复和再结晶；在感应加热的同时，采用超声冲击针同步对材料表面进行高频撞击，一方面消除材料表面残余拉应力，并预置压应力，改善其应力状态；另一方面，通过塑性变形，细化其表面组织，提高其力学性能。

上述方法可以采用下述步骤具体实现：

第1步调整感应线圈的位置，使其加热面与待处理材料表面平行，二者之间的间隙为3mm～10mm；

第2步超声冲击针与待处理材料表面在感应加热区域内接触；

第3步驱动感应线圈和超声冲击针在待冲击处理材料表面同步扫描，实现其表面不同位置的处理，感应加热温度为200℃～800℃，超声功率0.5～2.0KW，频率15～40KHz，超声波振幅20～100μm。

本发明提供的一种高硬度材料表面处理装置，其特征在于，该装置包括温度控制器、感应电源、超声发生器、变幅杆、超声冲击针、运动控制单元、红外测温仪和感应线圈；

感应线圈通过电缆与感应电源连接，超声冲击针和变幅杆安装在超声发生器上，感应线圈和超声发生器均安装在运动控制单元上，由运动控制单元带动其同步移动；红外测温仪与温度控制器和感应电源连接；感应线圈和超声发生器安装在运动控制单元上；

该装置工作时，将待处理工件固定，并使感应线圈的加热面和待处理工件的加工表面平行；红外测温仪瞄准待处理工件上的感应加热区域以对其温度进行检测，红外测温仪的检测信号输入温度控制器，温度控制器输出控制信号对感应电源的输出功率进行调节，对感应加热温度进行控制；超声冲击针与待处理工件接触，且接触点位于感应加热作用区内；同步开启感应电源和超声发生器，运动控制单元驱动感应线圈和超声冲击针对待处理工件表面进行扫描，完成对待处理工件的处理。