一种高强钛合金管材表面硬化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种高强钛合金管材的外表面硬化方法。具体涉及一种钛合金管材的外表面超声冲击硬化加工工艺，该工艺能够有效提高钛合金管材的外表面硬度和耐磨性，降低表面粗糙度。
【背景技术】
[0002]高强钛合金管材具有强度高、密度低、耐蚀性和耐热性好等特点，是航空、航天、石油、化工、船舶等领域关键部位的理想材料。但是由于钛合金的硬度较低，摩擦系数大，耐磨性差等缺点，一定程度上影响了其使用寿命和应用范围。采用合适的表面硬化技术，在不降低基体力学性能的前提下，提高钛合金管材的表面硬度，是提高其表面耐磨性和使用寿命的有效途径，可以扩大高强钛合金管材的应用范围。因此，相关工程技术人员对钛合金表面硬化技术进行了广泛研究。
[0003]目前对金属的表面硬化方法几乎全部应用到了钛合金的表面处理上，公开报道可见的针对钛合金的表面硬化处理方法包括化学热处理(气体渗氮、离子氮化)、表面喷丸处理、离子注入、表面阳极氧化处理、表面涂层技术、气相沉积薄膜技术、电火花加工、激光加工等。
[0004]气体渗氮或离子氮化的方法，虽然能够提高钛合金表面硬度，但由于为了提高渗氮效率，渗氮剂需含有氨或氮-氢混合气体，而且氮化过程必须在较高的高温下进行，渗氮这些渗剂中的氢极易导致钛合金因吸氢而产生氢脆。因此，渗氮过程中，不允许有氢的气氛存在，导致氮化效率极低，氮化层深度及硬度难以达到使用要求。
[0005]喷丸处理通过使钛合金表面产生塑形变形而达到表面强化的目的，但是喷丸会使乳制的钛合金管材光洁的表面粗糙度增大，这样尽管提高了自身的耐磨性，但是容易导致与该钛合金部件相配合的其他零件产生磨损。
[0006]离子注入法的主要优点在于膜层与基体结合好，抗剥落能力强，注入过程不要求升高基体温度，从而可保持工件几何精度。但是离子注入法效率低，且现有的离子注入设备不适合对长度3米以上的管材进行表面处理。
[0007]表面阳极氧化处理是提高钛合金耐蚀性和耐磨性的常用途径，但是由于钛合金管材在加工及热处理过程中，表面易形成致密氧化膜，在阳极氧化必须有效清除，否则严重影响阳极氧化膜质量，然而它的清理难度较大。另外，无论是去除原始氧化层，还是阳极氧化过程，都需要动用大量的酸、碱及多种化学试剂，大大增加了后续废水处理成本，而且还难以达到越来越苟1刻的环保标准。
[0008]表面涂层技术是改善钛合金抗氧化性的有效方法，但是若用于提高钛合金表面硬度及耐磨性，这种硬质涂层与钛合金基体的容易发生开裂和剥落。
[0009]气相沉积法在钛合金表面制备类金刚石薄膜，可提高钛合金的表面硬度和耐摩擦性。但是膜中钛含量超过9%时，膜的硬度将会下降，且膜与基体结合力有限。
[0010]激光熔覆加工是将CoCrW等合金粉末在钛合金表面形成熔覆图层，从而提高钛合金表面硬度及耐磨性，但是膜层的均匀性、致密性及裂纹问题尚未解决，且这种方法难以在大长度钛合金管材表面实现全覆盖。
[0011]微弧氧化(MAO)技术是通过微弧放电区瞬间高温高压烧结直接把基体金属变成氧化物陶瓷，并获得较厚的氧化物膜，膜的硬度高并与金属基体结合良好，改善了钛合金表面的抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击等性能，具有较好的应用前景。
[0012]超声冲击加工是利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒一万次以上的频率冲击金属物体表面，使金属表层产生较大的压塑性变形，超声冲击部位得以强化，从而使金属表面层的强度和硬度都有显著的提高，同时降低工件表面粗糙度。中国专利CN101503755、CN101502881等仅提供了超声波金属表面加工装置，并未给出具体加工工艺。中国专利CN1013111972A、CN103072049A、CN103084648A、CN103084634A、CN103084608A 分别提供了在车床、外圆磨床、刨床、铣床、镗床采用超声波加工方法对碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝等5种材质金属的表面加工工艺。
[0013]截至目前，未见采用超声波冲击加工方法提高钛合金表面硬度的相关加工工艺报道。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是提供一种高强钛合金管材表面硬化方法，具体使用车床、频率为30KHz超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具，对高强钛合金管材表面采用超声波冲击加工工艺进行硬化，其特征在于，包括如下步骤:
[0015]I)将超声波加工专用刀具安装在车床的刀架上；
[0016]2)将连接超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具的线缆接好；
[0017]3)将高强钛合金管材装夹于车床主轴，高强钛合金管材在进行超声波表面硬化加工之前需满足如下要求:
[0018]a)直线度:< lmm/m
[0019]b)外径圆度:< 0.05mm
[0020]c)外径公差:<0.1_
[0021]d)表面粗糙度:Ra0.8?3.2ym
[0022]e)超声波加工余量:0.005?0.06mm;
[0023]4)调整刀具位置，使刀具的中心与管材中心高度偏差< ±0.5mm，且刀具中心与管材表面接触并对管材施加30?300kg的压力；
[0024]5)开启超声波设备，调整超声设备电流值至0.8A?1.2A;
[0025]6)启动车床，调整车床转速，使钛合金管材外表面旋转的线速度控制在10?20m/min，超声波专用刀具的纵向走刀速度控制在0.15?0.3mm;
[0026]7)加工完毕，将超声波设备电流值调到0.5A以下，关闭超声波设备开关。
[0027]8)对高强钛合金管材表面进行测试，管材的表面粗糙度值达到Ra0.4以下，硬度提高25%以上，耐磨性显著提高;或在车床上安装自动测试装置，当场显示硬度或粗糙度测试结果。
[0028]本发明的有益效果是提供了在车床上采用超声波加工方式对高强钛合金管材进行表面硬化加工的工艺参数，按此工艺操作，可以使高强钛合金管材外表面获得表面粗糙度值达到Ra0.4以下，硬度提高25%以上的超声波硬化效果。
【具体实施方式】
[0029]本发明提供一种高强钛合金管材表面硬化方法，具体使用车床、频率为30KHz超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具，对高强钛合金管材表面采用超声波冲击加工工艺进行硬化，?以TClO钛合金管材为例，其表面超声波冲击加工工艺具体如下:
[0030](I)该超声波冲击加工工艺用到的设备包括车床、输出频率为30KHz的超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具；
[0031](2)把超声波加工专用刀具安装在车床的刀架上；
[0032](3)将连接超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具的线缆接好；
[0033](4)将Φ52ΧΦ40Χ3000πιπι的TClO钛合金管材装夹于车床主轴，装卡方式与车削加工时一致。为了防止管材在刀具压力下弯曲变形，应安装使用跟刀架。TClO钛合金管材在进行超声波表面硬化加工之前需满足如下要求:
[0034]f)直线度
[0035]g)外径圆度:< 0.05mm
[0036]Ii)外径公差:< 0.1 mm
[0037]丨)表面粗糙度:1^0.8?1.64111
[0038]j)超声波加工余量:0.01?0.03mm
[0039](5)调整刀具位置，使刀具的中心与管材中心高度偏差< ±0.5mm，且刀具中心与管材表面接触并对管材施加30?300kg的压力；
[0040](6)开启超声波设备，调整超声设备电流值至1.2A;
[0041](7)启动车床，调整车床转速，使钛合金管材外表面旋转的线速度控制在15m/min，超声波专用刀具的纵向走刀速度控制在0.2mm;
[0042](8)加工完毕后，将超声波设备电流值调到0.5A以下，关闭超声波设备开关。
【主权项】
1.一种高强钛合金管材表面硬化方法，具体使用车床、频率为30KHZ超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具，对高强钛合金管材表面采用超声波冲击加工工艺进行硬化，其特征在于，包括如下步骤: 1)将超声波加工专用刀具安装在车床的刀架上； 2)将连接超声波发生器、超声表面加工装置及超声波加工专用刀具的线缆接好； 3)将高强钛合金管材装夹于车床主轴，高强钛合金管材在进行超声波表面硬化加工之前需满足如下要求: a)直线度:<lmm/m b)外径圆度:<0.05mm c)外径公差:<0.1mm d)表面粗糙度:Ra0.8?3.2ym e)超声波加工余量:0.005?0.06mm; 4)调整刀具位置，使刀具的中心与管材中心高度偏差<±0.5mm，且刀具中心与管材表面接触并对管材施加30?300kg的压力； 5)开启超声波设备，调整超声设备电流值至0.8A?1.2A; 6)启动车床，调整车床转速，使钛合金管材外表面旋转的线速度控制在10?20m/min，超声波专用刀具的纵向走刀速度控制在0.15?0.3mm; 7)加工完毕，将超声波设备电流值调到0.5A以下，关闭超声波设备开关； 8)对高强钛合金管材表面进行测试，管材的表面粗糙度值达到Ra0.4以下，硬度提高25%以上，耐磨性显著提高;或在车床上安装自动测试装置，当场显示硬度或粗糙度测试结果O
【专利摘要】本发明公开了属于材料加工技术领域的一种高强钛合金管材的外表面硬化方法。具体说是把超声波加工专用刀具安装在车床的刀架上；使用频率为30KHz超声波发生器对钛合金管材的外表面进行超声冲击硬化加工，调整车床转速，使钛合金管材外表面旋转的线速度控制在10～20m/min，超声波专用刀具的纵向走刀速度控制在0.15～0.3mm；加工完毕后，将超声波设备电流值调到0.5A以下，关闭超声波设备。本发明提供了在车床上采用超声波加工方式对高强钛合金管材进行表面硬化加工的工艺参数，按此工艺操作，可以使高强钛合金管材外表面获得最佳的超声波硬化效果。该工艺能够有效提高钛合金管材的外表面硬度和耐磨性，降低表面粗糙度。
【IPC分类】C22F1/18
【公开号】CN105525243
【申请号】CN201510994326
【发明人】闫晓东
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月25日