专利名称：金属表面超声速喷丸强化方法
技术领域：
本发明涉及金属表面强化技术，具体为金属表面超声速喷丸强化方法。
背景技术：
一般认为疲劳裂纹产生于金属表面的拉应力区，残余拉应力的存在加速裂纹的萌生和扩展，最终导致材料的断裂，相反残余压应力的存在却有助于疲劳寿命的提高，残余压应力使部件耐磨性能增强，同时还能有效地防止应力腐蚀，提高部件的腐蚀疲劳寿命。
喷丸强化可以提高金属部件的抗疲劳性能和改善金属部件力学性能，金属表面喷丸强化对提高金属部件的疲劳寿命非常重要，通过喷丸强化在金属表面形成一残余压应力层能够超到防止和延缓疲劳裂纹的萌生和扩展，提高金属部件的疲劳性能，而且其本身就具有不同与内部组织的疲劳抗力，对于质量相同的弹丸喷射速度越大，弹丸到达金属表面的动能就越高，从而使残余压应力的增加，强化层增厚。目前国内外采用喷丸强化的喷丸速度一般在70～100m/s，最近日本研发的最高喷丸速度为200 m/s的强化喷丸技术(加贺谷忠治，表面技术(日)，2001，52(2)169；(Recent Trends in Shot Peening Technology))及(加贺谷忠治，久保田普堪，特殊钢(日)，2000，49(5)33；超微粉末冲击加工)，其最大速度150～200 m/s，微粉粒径40～60μm，其不足之处是强化效率低，强化层厚度薄。
另外，超声速喷涂工艺是压缩空气经由拉瓦喷嘴获得超声速，将与基体金属性质不同的其他金属材料或合金喷涂于基体表面上形成涂层，而利用超声速喷气对金属材料喷丸强化未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化层更厚、污染小、生产效率更高、成本低的金属表面超声速喷丸强化方法，可提高材料的机械性能(如疲劳强度、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。
本发明的技术方案是利用压缩空气携带金属或非金属弹丸，将弹丸加速到300～1100m/s，连续轰击金属材料表面，使金属表面产生一残余压应力层，工艺参数如下
喷射距离55～100mm、气体压力2.2～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量26～30g/s、送丸电压20～30V，弹丸粒径为50～200微米。
本发明的原理是利用压缩气体携带弹丸(金属或非金属)，将弹丸加速到300～1100m/s，高速运动的弹丸连续轰击金属材料表面，使金属表面产生一残余压应力层，从而提高金属材料的疲劳寿命。
本发明的优点如下1.强化层厚、装置简单、能耗少，提高材料的机械性能(如疲劳强度、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。本发明用高压(2.2～3.0MPa)压缩空气作气源，可以使喷丸速度提高到300～1100 m/s的超高速度，比现在用喷丸速度高3～11倍，对于质量相同的弹丸喷射速度越大，弹丸到达金属表面的动能就越高，实际上，金属表层残余应力的分布最大残余压应力不在金属的表面，而是在表面层下的某一区域，因此，要保证金属表面有足够的残余压应力层的厚度，通过超声速表面喷丸技术，可以使金属表层的残余压应力增加，强化层增厚，充分满足金属表层的残余压应力和残余压应力和残余压应力层的厚度，提高了喷丸效果和强化密度；另外其能耗较少，耗电量大约8～12kW。
2.成本低、利用率高。本发明可利用金属(如钢丸等)或非金属(如尼龙微粒等)进行喷丸冲击，成本较低，重复使用率高。
3.适用范围广。本发明可适用于各种金属材料如各种钢材、合金和粉末冶金材料等，广泛应用于机床、仪表、机车、船舶、飞机、电子元件、矿山设备以及轻工、化工、纺织等部门。
图1是本发明实施例1采用超声速喷涂装置结构示意图。
具体实施例方式
实施例1基体材料316L不锈钢管，弹丸为Al2O3(弹丸粒径150微米左右)利用压缩空气携带弹丸，通过拉瓦喷嘴喷射气体使弹丸加速到300～1100m/s，连续轰击金属材料表面，使金属表面产生一残余压应力层，工艺参数如下喷射距离70mm、气体压力3.0MPa、气体温度为室温、气体流量30g/s、耗电量12kW、送丸电压30V，喷丸时间6分钟，经X-射线衍射分析表面强化层厚度平均达75微米左右。
本实施例采用如图1所示超声速喷涂装置，为俄罗斯专利，专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)2010619(1994)，其送粉器1与超音速喷嘴2连为一体，采用电机带动转鼓，通过转鼓11推动微粒进入气体微粒混合室，在送粉器的下端有一个压缩气体入口，并通过两个出口分别将气体导入送粉器1，携带弹丸以超声速连续轰击金属材料表面。
实施例2与实施例1不同之处在于基体材料为碳钢试片，弹丸采用钢丸(100微米左右)，工艺参数如下喷射距离55mm、气体压力2.5MPa、气体温度为室温、气体流量28g/s、耗电量10kW、送丸电压25V，喷丸时间10分钟，经X-射线衍射分析，表面强化层厚度平均达75微米左右。
实施例3与实施例1不同之处在于基体材料为模具钢试片，弹丸采用尼龙微粒(200微米左右)，工艺参数如下喷射距离100mm、气体压力2.2MPa、气体温度为室温、气体流量26g/s、耗电量8kW、送丸电压20V，喷丸时间15分钟，经X-射线衍射分析表面强化层厚度平均达70微米左右。
另外，本发明所用装置还可采用中国专利申请(申请号为01128130.8)中的冷气动力喷涂装置。
比较例与实施例3不同之处是采用钛白粉增强尼龙微粒进行表面喷丸处理，制件表面出现白痕(白痕不易清除)，原因是钛白粉增强尼龙微粒在高速冲击下有破碎使钛白粉镶嵌在制件的表面。因此该方法不适合白粉增强尼龙微粒用于金属表面喷丸强化。
本发明与利用拉瓦喷嘴携带硬质微粒轰击金属表面纳米化(中国专利申请，申请号为01128225.8)相比，弹丸利用率高、强化层更厚、污染较小、成本更低；金属表面纳米化所用微粒为硬质微粒，其成本较高，而且为保证纳米层厚度均匀需经胶粉包裹将其作成球状，增加了工序，轰击中容易分散，利用率低且导致污染。
权利要求
1.一种金属表面超声速喷丸强化方法，其特征是利用压缩空气携带金属或非金属弹丸，将弹丸加速到300～1100m/s，连续轰击金属材料表面，使金属表面产生一残余压应力层，工艺参数如下喷射距离55～100mm、气体压力2.2～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量26～30g/s、送丸电压20～30V，弹丸粒径为50～200微米。
全文摘要
本发明涉及金属表面强化技术，具体为金属表面超声速喷丸强化方法，其特征是利用压缩空气携带金属或非金属弹丸，将弹丸加速到300～1100m/s，连续轰击金属材料表面，使金属表面产生一残余压应力层，工艺参数如下喷射距离55～100mm、气体压力2.2～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量26～30g/s、送丸电压20～30V，弹丸粒径为50～200微米。本发明强化层厚、装置简单、能耗少，提高材料的机械性能(如疲劳强度、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)；另外，本发明成本低、利用率高、适用范围广。
文档编号C21D7/06GK1438332SQ0210919
公开日2003年8月27日 申请日期2002年2月11日 优先权日2002年2月11日
发明者熊天英, 李铁藩, 吴杰, 金花子, 吴敏杰 申请人:中国科学院金属研究所