电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法
【专利摘要】一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，包括步骤：1)在支撑装置上装夹金属工件；2)施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。本方法以电致塑性、超声冲击及滚压作用相结合实现金属材料表面强化处理，与单纯的超声滚压加工相比，本方法可使强化层作用厚度进一步加深，工件最表面硬度进一步提高。特别是对于本身硬度很高或加工硬化严重的一些难加工金属材料来说，用本方法对其表面强化处理，可以显著提高强化层质量，大大提高加工效率，降低生产成本。
【专利说明】电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属加工领域，具体涉及一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料 表面强化处理的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国国民经济高速发展，在航空航天、工程机械、医疗器械、海洋工程和船 舶制造等领域取得了巨大成就。但同时，这些行业也对服役机械零部件的可靠性提出了更 高的要求，这就要求机械零部件具有高的表面硬度、高耐磨性、高抗疲劳性、高表面光洁度 和良好的耐蚀性等综合性能，这是当下我国机械制造行业所面临的主要课题。
[0003] 超声滚压加工是近年兴起的一种新的金属材料表面强化加工方法。其基本原理是 利用硬度很高的光滑滚珠滚压金属材料表面，同时对滚珠施加沿工件表面法线方向的超声 振动，将超声冲击能量和滚压作用相结合，在金属材料表面产生强烈的塑性变形和加工硬 化而形成表面强化层，形成表面压应力，并大大降低材料表面粗糙度。该方法可获得高硬 度、高耐磨性、高抗疲劳性、高表面光洁度和抗压应力腐蚀的金属表面。
[0004] 金属材料表面超声滚压加工的作用机理是使金属材料表面受到冲挤而发生剧烈 塑性变形，导致工件表层的位错密度增大，表层晶粒细化，表层金属发生强烈的加工硬化而 形成表面强化层。表面强化层具有很高的硬度，其继续发生塑性变形的能力相比强化前大 大下降。超声滚压加工如同在金属材料表面形成了一个高硬度的保护壳，进而阻止工件次 表层金属塑性变形的进一步发生，其结果就是加工后的工件表面硬化层很浅。另一方面，当 位错增殖主导的晶粒细化与晶界迁移主导的晶粒粗化达到平衡状态，进一步的塑性变形已 不能使晶粒更加细化，材料的微观结构趋于稳态达到极限晶粒尺寸。此时，强化层最表层的 硬度也会相应达到一定的极限，无法进一步提高。特别对于一些本身硬度很高或加工硬化 严重的难加工金属材料来说，其表面往往是高硬度低塑性状态，用单纯的超声滚压加工方 法使其表面产生强烈的塑性变形，进而在其表层获得较大深度且表面硬度很高的表面强化 层是非常困难的。因此，如何突破剧烈塑性形变的晶粒细化极限和高硬度低塑性材料本身 的属性限制，获得更高的表面硬度和更深的表面强化层是当前金属材料表面加工技术的主 要研究方向。
【发明内容】
[0005] 鉴于现有金属材料表面超声滚压加工技术中存在的问题，本发明提供一种电致塑 性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理的方法。其采用电致塑性、超声冲击及滚压 作用相结合实现金属材料表面强化处理。脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应能 显著降低金属工件表层的塑性变形抗力，减弱工件表层的加工硬化，使加工形变层发生动 态回复或动态再结晶，促使工件表层晶粒进一步细化，从而进一步提高工件的表面硬度。同 时，由于表层加工硬化程度减小，工件次表层塑性变形能力增强，晶粒细化层在超声滚压作 用下向表层内部更深处扩展，使强化层作用厚度进一步加深。
[0006] 本发明提供的电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，包括如 下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工 件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击 滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。
[0007] 在步骤2)结束后，进一步可增加步骤3)，施加脉冲电流到所述金属工件的加工 区，对所述加工区的表层进行电致塑性处理；同时，由所述支撑装置带动所述金属工件旋 转，使所述超声滚压装置沿所述金属工件轴向移动，对所述加工区的表层进行超声冲击滚 压。
[0008] 步骤2)、步骤3)中的脉冲电流由一个脉冲电源提供，步骤3)中所述的脉冲电流的 平均电流密度为步骤2)中所述的脉冲电流的平均电流密度的10%_50%。
[0009] 步骤2)中所述脉冲电流的参数为：频率200-10000HZ，脉宽40-100μ s，平均电流 密度1-10Α · mm 2,峰值电流密度2-100 A · mm2 ;步骤3)中所述脉冲电流的参数为：频率 50-lOOOHz，脉宽 20-80μ s，平均电流密度 0. 1-5 A · rnnT2,峰值电流密度 0. 5-50 A · rnnT2。
[0010] 所述支撑装置选择车床、铣床等机床。由所述超声滚压装置向所述金属工件的加 工区提供一定频率和振幅的超声振动，所述超声滚压装置具有超声滚压头(输出构件)，优 选实施例中，所述超声滚压头的曲率半径为4-50mm，硬度大于60HRC。采用车床作为支撑 装置时，在车床的刀架上安装所述超声滚压装置，其超声滚压头直接与所述金属工件的加 工区接触。所述金属工件的旋转线速度为ΙΟ-ΙδΟπ^π?ιΓ 1，所述超声滚压装置的进给量为 0· 01-1. 00mm · f1，预紧压力为100-2000Ν，超声振动频率为15000-60000ΗΖ，超声振动振幅 为 5-50 μ m〇
[0011] 根据加工要求，步骤3)中所述超声冲击滚压的次数可以为1-15次；步骤2)中所 述超声冲击滚压的次数也可以为1-15次。
[0012] 一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，包括如下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区的表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属 工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲 击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层；其 中，所述脉冲电流的参数为：频率50-lOOOHz，脉宽20-80μ s，平均电流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值电流密度〇. 5-50 A · mm 2。
[0013] 常规超声滚压加工工艺中超声滚压在被加工金属工件表层产生强烈塑性变形，形 成硬度很高的表面强化层，从而阻碍工件次表层塑性变形的发生。本方法以电致塑性、超声 冲击及滚压作用相结合实现金属材料表面强化处理。其中施加的脉冲电流可对金属工件表 面强化层的组织起到调节作用，电致塑性效应能显著降低金属工件表层的塑性变形抗力， 减弱工件表层的加工硬化，使加工形变层发生动态回复或动态再结晶，促使工件表层晶粒 进一步细化，从而进一步提高工件的表面硬度。同时，由于表层加工硬化程度减小，工件次 表层塑性变形能力增强，晶粒细化层在超声滚压作用下向表层内部更深处扩展，使强化层 作用厚度进一步加深。
[0014] 本发明脉冲电流参数的选择方法具体为：首先，步骤2)中在首次超声滚压的同时 对金属工件加工区施加较大的脉冲电流。该脉冲电流具有的电致塑性效应、趋肤效应和热 效应可适当减弱表面强化层的加工硬化程度，使工件表层加工区的硬度保持在适宜超声滚 压加工的作用范围内。由此可减弱表面强化层因硬度过高而对超声滚压加工产生的削弱作 用，提高金属工件次表层的塑性变形能力，从而大大加深超声滚压的作用深度。其次，步骤 2)超声滚压加工结束后，执行步骤3)操作改变脉冲电流参数，对工金属工件加工区施加较 小的脉冲电流，并对工件表面进行二次超声滚压加工。由于此时的脉冲电流较小，不足以减 弱表面强化层的加工硬化。因此，二次超声滚压加工产生的强烈塑性变形可使首次超声滚 压加工过程中因脉冲电流作用而降低的工件最表层硬度升高，恢复到单纯滚压加工的硬化 水平。但由于金属工件最表层的塑性变形程度在整个强化层中最为剧烈，因此较小的脉冲 电流就可以促使工件最表层发生动态回复或再结晶，由此可以使工件最表层硬度再次升高 并减小强化层的内部缺陷。最终，相比于单纯的超声滚压加工，应用本发明方法可得到表层 硬度更高，硬化深度更大，抗疲劳性能更好的表面强化层。其中，首次超声滚压加工的次数 和二次超声滚压加工的次数可以分别为一次或多次。上述首次超声滚压加工和二次滚压加 工也可作为独立的加工方法配合相应参数的脉冲电流单独使用，从而分别得到相比于单纯 超声滚压加工厚度进一步加深的强化层和最表面硬度进一步提高的强化层。特别对于本身 硬度很高或加工硬化严重的一些难加工金属材料来说，用本发明方法对其进行表面强化加 工处理，可以显著提高强化层质量，大大提高加工效率，降低生产成本。
[0015] 本发明与单纯的金属材料表面超声滚压加工相比，具有如下显著效果： 1、加工后的金属工件表硬度更高，表面强化层深度更大，工件耐磨性、抗应力腐蚀性能 和疲劳寿命得到进一步提高；本发明方法与单纯超声滚压加工方法对304不锈圆钢工件处 理结果比较，距表面深度0-1200 μ m，维氏硬度平均提高达11%。
[0016] 2、对于一些难加工材料，特别是本身硬度很高或加工硬化严重的难加工金属材料 来说，用该方法对其进行表面强化加工处理，可以得到表面硬度很高且作用深度很大的表 面强化层，可大大提高加工效率，降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为实现本发明电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理工艺的 系统结构示意图（11-超声滚压装置，12-超声滚压头，21-夹持端，22-夹持端，3-脉冲电 源,4-金属棒材）； 图2为采用单纯超声振动滚压和本发明工艺处理304不锈圆钢横截面金相照片；其中， 图2-a为单纯超声振动滚压处理304不锈圆钢横截面金相照片；图2-b为本发明工艺处理 304不锈圆钢横截面金相照片； 图3为304不锈圆钢横截面沿表层厚度方向的硬度变化对比图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。
[0019] 本发明一种实施方式过程如下： 步骤1)，参照系统示意图1，首先将待加工金属棒材4置于支撑装置（图中未示出，如 车床）的夹持端21与夹持端22之间，夹持端21、22与支撑装置绝缘；将脉冲电源3的两输 出端通过电刷（图中未示出）分别与金属棒材4的两端接触。
[0020] 步骤2)，启动支撑装置带动金属棒材4以一定速度Vi旋转；打开脉冲电源3,对金 属棒材4加工区施加较大脉冲电流；接着启动超声滚压装置11，使超声滚压头12以一定的 频率f和振幅a沿垂直于金属棒材4表面法线方向振动，移动超声滚压装置靠近金属棒材 4,使超声滚压头12以一定的压力F压紧在金属棒材4的表面；以速度V 2移动超声滚压装 置11，使其沿金属棒材4轴向移动，进行金属棒材4表面的首次电致塑性与超声振动滚压耦 合加工(下称：首次加工)。
[0021] 步骤3)，在步骤2)操作结束后，改变脉冲电源3的输出脉冲电流参数，对加工金属 棒材4加工区施加较小的脉冲电流，并以步骤2)方法对金属棒材4表面进行二次电致塑性 与超声振动滚压耦合加工(下称：二次加工)。二次加工结束后，移动超声滚压装置11，使超 声滚压头12离开金属棒材4表面，关闭支撑装置、超声滚压装置11和脉冲电源3,从支撑装 置上取下加工好的金属棒材4。
[0022] 步骤3)中所述的较小脉冲电流的平均电流密度为步骤2)中所述的较大脉冲 电流的平均电流密度的10%_50%。具体实施中步骤2)中所述脉冲电流的参数为：频率 200-10000HZ，脉宽 40-100μ s，平均电流密度 1-10A · rnnT2,峰值电流密度 2-100 A · rnnT2 ; 步骤3)中所述脉冲电流的参数为：频率50-1000Hz，脉宽20-80 μ s，平均电流密度0. 1-5 A · rnnT2,峰值电流密度 〇· 5-50 A · rnnT2。
[0023] 支撑装置可以为车床、铣床或其他工作平台。由超声滚压装置11向金属工件4 的加工区提供一定频率和振幅的超声振动，超声滚压头12是超声滚压装置的输出构件， 优选实施例中，超声滚压头12的曲率半径为4-50mm，硬度大于60HRC。采用车床作为支 撑装置时，具有超声滚压头12的超声滚压装置11可安装在车床的刀架上。所述金属工 件的旋转线速度为10-150m · mirT1，所述超声滚压头12 (或超声滚压装置11)的进给量为 0· 01-1. 00mm · f1，预紧压力为100-2000N，超声振动频率为15000-60000HZ，超声振动振幅 为5-50 μ m。首次加工的次数和二次加工的次数可以为1-15次。
[0024] 其中，上述首次加工和二次加工也可作为独立的加工方法配合相应参数的脉冲电 流单独使用。根据支撑装置的不同，也可以选择棒材以外的板状或其他外形的金属工件。
[0025] 下面参照图1，以在由现有车床改装而成的，配备脉冲电源3和具有超声滚压头12 的超声滚压装置11，组成的电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理的实验平 台上进行的具体实验为例，对采用上述实施方式、实验效果及优点做进一步详细说明。
[0026] 1、对Φ 13. 4X 150mm规格、原始硬度为200HV0. 1的304不锈圆钢金属工件4进行 电致塑性与超声滚压表面强化处理：工件转速534r · mirT1 (线速度V1=22. 5m · mirT1)，车床 进给量〇. 1mm (进给速度V2=53. 4mm ?mirT1);超声滚压装置11工作频率30000Hz，振幅 8 μ m，超声振动滚动压头12顶紧压力F=700N ;首次加工中脉冲电流参数为频率600Hz，平均 电流密度〇. 32A ·πιπΓ2,峰值电流密度2. 51A ·πιπΓ2,往复加工3次；二次加工中脉冲电流参数 为频率600Hz，平均电流密度2. 12Α · mm 2,峰值电流密度15. 21Α · mm 2,往复加工3次。同 时，采用相同的超声滚压参数对相同规格的304不锈圆钢金属工件往复滚压加工6次，相应 304不锈圆钢作为对比样品加以分析。
[0027] 加工后的工件用线切割沿径向断面切片，处理后用金相显微镜观察其显微组织； 用维氏显微硬度计测量样品径向沿表层厚度方向的硬度变化，所加载荷l〇〇g，保荷时间为 15s。处理后的金相照片和相应的样品径向沿表层厚度方向的硬度变化如图3所示，其中图 2-a为单纯超声振动滚压处理304不锈圆钢横截面金相照片，图2-b为电致塑性与超声滚 压耦合处理304不锈圆钢横截面金相照片。图3为304不锈圆钢横截面沿表层厚度方向的 硬度变化对比图。由图2-b、2-a、3可以看出，相比于单纯的超声滚压加工处理，304不锈 钢工件经电致塑性与超声滚压耦合处理后的表面强化层组织塑性变形更加剧烈，表面硬度 更高，硬化层深度大大加深。本方法与单纯超声滚压加工方法对304不锈圆钢工件处理结 果比较，距表面深度0-400 μ m，维氏硬度平均提高11. 6%，维氏硬度最大提高12. 3%(最表面 0 μ m处);距表面深度400-1200 μ m，维氏硬度平均提高10. 4% ;距表面深度0-1200 μ m，维氏 硬度平均提高11%。
[0028] 其他实施方式中，可以取消上述步骤3)，直接在步骤2)中选择平均电流密度较小 的一组脉冲电流与超声滚压结合实施金属材料表面强化处理。这种实施方式包括如下步 骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区的表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属 工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲 击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层；其 中，所述脉冲电流的参数为：频率50-lOOOHz，脉宽20-80μ s，平均电流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值电流密度〇. 5-50 A · mm 2。
[0029] 以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明 仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公 知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，其特征在于，包括 如下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小； 同时，由支撑装置带动所述金属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压 装置对所述加工区的表层进行超声冲击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致 位错密度增大晶粒细化形成强化层。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中施加到所述金属工件加工区的 脉冲电流参数为：频率200-10000HZ，脉宽40-100 μ s，平均电流密度1-10A ·πιπι-2,峰值电流 密度 2-100 A · mm 2。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括步骤3)，在步骤2)结束后，进 一步施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，对所述加工区的表层进行电致塑性处理；同 时，由所述支撑装置带动所述金属工件旋转，使所述超声滚压装置沿所述金属工件轴向移 动，对所述加工区的表层进行超声冲击滚压。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的脉冲电流的平均电流密 度为步骤2)中所述的脉冲电流的平均电流密度的10%-50%。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述脉冲电流的参数为：频率 200-10000HZ，脉宽 40-100μ s，平均电流密度 1-10A · mm2,峰值电流密度 2-100 A · rnnT2 ; 步骤3)中所述脉冲电流的参数为：频率50-1000Hz，脉宽20-80 μ s，平均电流密度0. 1-5 A · rnnT2,峰值电流密度 〇· 5-50 A · rnnT2。
6. 根据权利要求1或3或5所述的方法，其特征在于，所述金属工件的旋转线速度为 10-150m · mirT1，所述超声滚压装置的进给量为0· 01-1. 00mm · r'预紧压力为100-2000N， 超声振动频率为15000-60000HZ，超声振动振幅为5-50μπι。
7. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述支撑装置为车床或铣床；所 述车床的刀架上安装具有超声滚压头的所述超声滚压装置，所述超声滚压头的曲率半径 4-50mm，硬度大于 60HRC。
8. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述超声冲击滚压的次数为 1-15 次。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述超声冲击滚压的次数为 1-15 次。
10. -种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，其特征在于，包括 如下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效 应和热效应使所述加工区的表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金 属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区表层进行超声冲 击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层；其 中，所述脉冲电流的参数为：频率50-lOOOHz，脉宽20-80μ s，平均电流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值电流密度0. 5-50 A · mm 2。
【文档编号】C21D11/00GK104195322SQ201410442263
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】唐国翌, 王海波, 宋国林, 陈龙 申请人:清华大学深圳研究生院