CN101914660A - 一种奥氏体不锈钢表面电子束辐照处理结合液体喷丸的复合强化方法 - Google Patents
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Abstract
一种奥氏体不锈钢表面电子束辐照处理结合液体喷丸的复合强化方法，属于金属材料表面强化技术领域。其特征是采用强流脉冲电子束对奥氏体不锈钢表面进行处理，并结合后续的液体喷丸强化，可以改变奥氏体不锈钢表层的组织结构和应力状态。所述强流脉冲电子束辐照处理所用的工艺参数是：加速电压20KV～30KV，电子束能量密度3J/cm2～6J/cm2，材料表面与阳极的距离是15～25cm，脉冲宽度为3～6μs，轰击的次数为8～20次，工作真空度≥3×10-3Pa。所述液体喷丸强化采用的喷丸介质是水和陶瓷丸，介质浓度为8∶1～20∶1，气压为0.3～1.0MPa，喷射处理的时间为10～28s，喷射距离为5～35cm，喷射角度为30～90°。本发明的效果和益处是：节能、环保、高效、工件变形小、表面光洁度高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，涉及的是一种奥氏体不锈钢表面电子束辐照处理结合液体喷丸的复合强化方法。
背景技术
奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一个钢种。由于奥氏体不锈钢具有优异的抗氧化性、耐蚀性、焊接性、力学性能以及易成型性等优点，所以在石油、化工、电力、航天航空、医学、纺织等领域都有广泛的应用。但是由于其硬度较低，耐磨性能较差，严重影响了奥氏体不锈钢机械零部件的使用寿命，使其在一些场合的使用受到限制。另外，奥氏体不锈钢在室温状态下使用时均以奥氏体组织状态存在，无法用淬火、调质等传统的热处理技术进行表面强化处理。
电子束加工是利用高能量密度的电子束对材料进行处理。电子束表面改性技术是70年代才发展起来的新技术，由于电子束具有高能量密度、易于控制和调节、无污染等优点，使其在材料表面处理中得以应用。电子束处理是一种选择性区域处理，其工作过程类似于电子束焊接。从电子枪阴极表面发射的电子，经过加速后直接轰击需要处理的工件表面，瞬间的能量转换和沉积使材料表面层温度急剧升高，而基体仍保持冷态，电子束照射结束后，加热区域的热量迅速向基体扩散，表面层温度急剧下降，从而在表面改性层中形成特定的加热、冷却过程，类似于常规的热处理过程。这样可以使金属表面形成超细晶结构及亚稳态组织，加之热应力诱发的应变强化，从而可以提高材料的硬度和耐磨性。以上述过程为基础，通过控制入射电子束的形成、能量幅值及空间分布，就构成了电子束表面改性处理的独特工艺。但是，其不足之处在于电子束表面改性处理只能改变材料近表层区域微米量级的微观组织和结构，对靠近表层的较深区域没有影响，作用范围窄；且不能在材料表层区域产生残余压应力分布。
喷丸是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件表面，使表面层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余压应力分布，从而提高工件疲劳强度和抗应力腐蚀能力的一种表面处理方法。喷丸分为干喷和液体喷丸，液体喷丸是在干喷基础上发展起来的，近些年开始受到关注。液体喷砂(也称湿喷砂和水喷砂)的工作原理是：它是将砂(磨料)置于水中，用磨液泵和压缩空气，通过喷枪将磨液高速喷射到被加工的工件上。在液体喷砂中，磨液泵为供料动力，压缩空气为加速动力。液体喷砂使工件表面形成一层液膜，以排除干摩擦现象，缓和弹丸对表面的冲击，使接触载荷分布更为均匀。由于高压液体取代了高压空气，丸粒可以随液体回收，避免粉尘污染并能降低喷丸噪声，除此之外，还能提高丸粒和喷嘴的耐用性。液体喷丸强化一方面保持了干喷强化的优点，另一方面又由于可以保持液体压力恒定不变，因此在强化质量和强化稳定性方面都比干喷法优越。另外本发明所使用喷丸介质为陶瓷丸，由于陶瓷丸硬度大，破碎率低，光整、清洁，被公认为清洁环保的喷丸介质。液体喷丸强化虽然能够使得表层产生一定的压应力分布状态，但是其在改变材料近表层的微观组织结构、细化晶粒方面远远达不到电子束处理的效果。
所以，本发明将电子束辐照处理技术和液体喷丸强化相结合，并且产生了“1+1＞2”的效果，能够更有效地强化金属材料，提高其表面的强度、硬度和耐磨性，同时也可提高材料的疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种奥氏体不锈钢表面电子束辐照处理结合液体喷丸的复合强化方法。本发明采用强流脉冲电子束技术结合液体喷丸的表面复合强化工艺，用来对奥氏体不锈钢进行表面强化。本发明的主要方法为首先对奥氏体不锈钢进行电子束辐照，然后再对电子束辐照处理后的表面进行液体喷丸强化。
本发明实现上述方法采取的技术方案是：在强化前首先对材料进行表面清洁处理，对材料表面进行预磨、抛光、清洗并吹干，然后用强流脉冲电子束设备对其进行强流脉冲电子束辐照处理，使表层获得微观组织为超细晶粒乃至纳米晶的组织，采用的工艺参数是：加速电压20KV～30KV，电子束能量密度3J/cm2～6J/cm2，待处理表面与阳极的距离是15～25cm，脉冲宽度为3～6μs，轰击的次数为8～20次，工作真空度≥3×10-3Pa。之后，对材料表面进行液体喷丸强化，所用设备是液体喷砂机，使奥氏体不锈钢材料表层产生所需的压应力分布，并进一步提高材料的表面质量，采用的工艺参数为：喷丸的介质是水和陶瓷丸，介质浓度为8∶1～20∶1，气压为0.3～1.0MPa，喷射处理的时间为10～28s，喷射距离为5～35cm，喷射角度为30°～90°。
本发明的效果和益处是：
材料表层残余压应力分布合理，工件变形小，表面光洁度高。强流脉冲电子束处理后在材料表层1～10微米的深度范围内形成细晶层，整体不产生变形；液体喷丸后在材料表层200～500微米深度范围内形成残余压应力，且能提高工件的表面光洁度。此外，所述表面复合强化技术还具有节约能量，处理效率高，清洁无污染，表面强化效果好的优点。本发明结合了强流脉冲电子束表面处理和液体喷丸强化两种工艺的优点，产生了“1+1＞2”的效果，是一种适合于强化奥氏体不锈钢表面的新方法。
附图说明
附图1是本发明采用的技术方案流程图。
附图2是脉冲电子束表面改性原理示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
首先将奥氏体不锈钢材料表面进过预磨、抛光、清洗并吹干，然后将其安装在强流脉冲电子束设备上。
结合附图2，对脉冲电子束的工作过程进行详细阐述：在确保加工深度的前提下，即维持所需要的能量峰值，脉动地控制能量输入，单位时间内来自加工区域的传热量减少，进入到加工区周围的热量在电子束停止照射时，可以迅速扩散。这样，不仅可以避免过多的能量损失，同时可以有效地增加冷却速度，减少热影响区的范围。由于电子束以极短时间脉动输出，可以减少直至避免金属蒸汽的产生，继续照射时蒸汽已经消失，这样电子束就不会产生散射。另外，脉冲工作方式也可以在很大程度上改善入射电子束截面能量密度分布，有效地切断了低能量密度部分，因此能确保得到高能量密度的电子束。
强流脉冲电子束辐照处理所用的设备是Nadezhda-2型强流脉冲电子束设备，开启设备，设定加速电压为28KV，能量密度为4J/cm2，材料与阳极的距离是20cm，脉冲的宽度为4.5μs，进行脉冲电子束辐照处理，轰击的次数为10次。此设备具体的工作过程是：当工作室中的真空度达到5×10-3Pa左右时，首先由时序控制电路提供的触发脉冲开启外加磁场线圈的供电装置，经过3.2或3.8ms(取决于磁场线圈数量2～3个)后，磁场强度达到其峰值(1000～12000e/kV)，火花等离子体源开始工作，通过火花放电产生阳极火花等离子体。经过约2～3μs后，等离子体充满电子加速间隙及漂移空间。此时，将高压脉冲发生器生成的电子加速电压通在阴极上，等离子体二极管中产生***电子发射，从而生成强流脉冲电子束。经等离子体对电子束的输运，约90％以上的二极管束流从阳极孔通过，作用于固定在工作靶上的工件表面，产生相应的电子束表面改性效果。经特定时间间隔以后，再开始下一个脉冲的循环工作。
等脉冲电子束处理结束后，最后对其实施液体喷丸强化，液体喷丸强化采用的设备是JY-120WB型液体喷砂机，具体的操作过程是：
首先将经电子束改性处理后的试件用酒精清洗后装卡在特制的夹具上，按照水和陶瓷丸的质量比为10∶1，加入一定的缓释剂配成磨液，调整喷枪距试件的距离为20cm，喷嘴垂直于试件表面。然后将夹具移开，打开空压机，调整气压到0.4MPa。一切准备就绪后，开始对试件就行喷制，喷射时间为18秒，喷射角度为90°。
Claims (1)
1.一种奥氏体不锈钢表面电子束辐照处理结合液体喷丸的复合强化方法，所述方法是首先对奥氏体不锈钢材料表面进行预磨、抛光、清洗并吹干，然后对其进行电子束辐照处理，最后对表面进行液体喷丸强化；其特征在于：所述强流脉冲电子束辐照处理所用的工艺参数是：加速电压20KV～30KV，电子束能量密度3J/cm2～6J/cm2，材料表面与阳极的距离是15～25cm，脉冲宽度为3～6μs，轰击的次数为8～20次，工作真空度≥3×10-3Pa；所述液体喷丸强化采用的喷丸介质是水和陶瓷丸，介质浓度为8∶1～20∶1，气压为0.3～1.0MPa，喷射处理的时间为10～28s，喷射距离为5～35cm，喷射角度为30°～90°。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Dalian Hydraulic Component Co., Ltd. Assignor: Dalian University of Technology Contract record no.: 2012210000053 Denomination of invention: Composite strengthening method combining Electron beam irradiation treatment with liquid shot blasting Granted publication date: 20120229 License type: Common License Open date: 20101215 Record date: 20120322 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120229 Termination date: 20140802 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |