CN108406081A - 一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，包括以下步骤：步骤一，准备原材料；所述原材料包括两种，一种是板状或近似板状的纯金属，其硬度相对较低；另一种是杆状的合金或纯金属，其硬度相对较高；步骤二，根据杆状原料的直径在板状原料上划线，所述划线为网状方格，单个方格的边长等于杆状原料的直径；步骤三，将杆状原料安装在超声冲击机上，以此为冲头，以垂直的方向快速击打板状材料的表面使其产生塑性变形；步骤四，调整超声冲击机的电流参数和冲击覆盖率，以更改外部能量的输入值；步骤五，冲击结束，在板状原料的表面生成一层合金新相，从而完成机械合金化。该方法耗时短，原材料为固体表面，工艺适应性强。

Description

一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法。
背景技术
金属表面是失效的多发部位，人们为了提高金属的性能采用各种表面处理技术来提高金属表面的性能。金属表面合金化是一种通过改变金属表面层的成分和组织的材料保护技术，是一个在科研和生产中常见的议题。表面合金化的技术包括激光表面合金化技术、等离子表面合金化技术、电子束合金化技术、机械表面研磨技术等，大都操作繁琐、工艺复杂、适用面窄、能耗高，实际应用受到了一定限制。
表面机械合金化是表面合金化的一个分支，现有技术中一般通过高能研磨机或球磨机来实现，该类方法耗时较长，所用原料必须为粉体，制备工艺较复杂。寻求简便、操作性强的机械合金化方法具有很强的现实意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，该方法将杆状原料安装在超声冲击机上，以此为冲头，以垂直的方向快速击打板状原料的表面使其产生塑性变形，通过调整电流参数和冲击覆盖率以改变外部能量的输入，在板状原料的表面生成一层合金新相，从而实现机械合金化。该方法耗时短，原材料为固体表面，工艺适应性强。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，包括以下步骤：
步骤一，准备原材料；所述原材料包括两种，一种是板状或近似板状的纯金属，其硬度相对较低；另一种是杆状的合金或纯金属，其硬度相对较高；
步骤二，根据杆状原料的直径在板状原料上划线，所述划线为网状方格，单个方格的边长等于杆状原料的直径；
步骤三，将杆状原料安装在超声冲击机上，以此为冲头，以垂直的方向快速击打板状材料的表面使其产生塑性变形；
步骤四，调整超声冲击机的电流参数和冲击覆盖率，以更改外部能量的输入值；
步骤五，冲击结束，在板状原料的表面生成一层合金新相，从而完成机械合金化。
优选地，步骤一中所述板状或近似板状的纯金属包括纯铜、纯铝、纯锡、纯铅、纯银等硬度低的工业纯金属；所述杆状的合金或纯金属包括硬度高的合金钢如GCr15、W18Cr4V，以及及纯钛等金属。实际使用时，应根据所选材料的硬度大小，将硬度低的材料制成板状或近似板状，将硬度高的材料做成杆状，以便于冲击。
优选地，步骤二中所述杆状原料的直径为3.5mm至10mm，所述网状方格中单个方格尺寸为3.5mm×3.5mm至10mm×10mm。杆状原料直径过小，无法控制表面冲击时的覆盖率，且杆的加工精度及强度无法保证；直径过大，无法在表面生成均匀连续的合金新相。
优选地，步骤四中所述冲击覆盖率是指，在保证冲头的移动速度均匀的情况下，让冲头沿着划好的网状方格移动，冲击能遍布整个试样表面的程度；试样整个表面都能遭受一次冲击所对应的冲击覆盖率为100％，试样整个表面都能遭受二次冲击所对应的冲击覆盖率为200％。
进一步地，所述冲头的移动速度为1.0～1.5m/min，冲头个数可为单个或多个，所述电流控制在2.5A至5A之间，所述冲击覆盖率控制在300％或以上，根据具体的金属种类变化。电流和覆盖率过低，达不到发生合金化的能量输入要求，过高则会导致过烧或机器损坏的危险。
优选地，步骤五中冲击结束后还要对金属表面进行后处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)耗时短。前期准备及处理时间短，在超声冲击大能量的输入下，可在短时间内实现表面合金化。
(2)原料为固体，制备起来比较方便。相比于粉状原料，固体原料的制备要容易得多。
(3)工艺简单，适应性强。处理时，可以随意移动杆状冲头冲击的地点，从而决定合金新相的生成位置，同时待处理表面只需近似板状，在形状上没有严格要求。
附图说明
图1是纯铜板经超声冲击表面合金化后的扫描电镜照片。其中，作为冲头的杆状材料为W18Cr4V，直径3.5mm，冲头的移动速度为1.2m/min，冲击电流为2.5A，覆盖率为300％。
图2是纯铜板经超声冲击表面合金化后从表层到芯部不同深度处的硬度变化。其中，作为冲头的杆状材料为W18Cr4V，直径3.5mm，冲头的移动速度为1.2m/min，冲击电流为2.5A，覆盖率为300％。
附图标记说明：1、表面生成物；2、纯铜板。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明公开了一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，包括以下步骤：
步骤一，准备原材料；所述原材料包括两种，一种是板状或近似板状的纯金属，其硬度相对较低；另一种是杆状的合金或纯金属，其硬度相对较高；
步骤二，根据杆状原料的直径在板状原料上划线，所述划线为网状方格，单个方格的边长等于杆状原料的直径；
步骤三，将杆状原料安装在超声冲击机上，以此为冲头，以垂直的方向快速击打板状材料的表面使其产生塑性变形；
步骤四，调整超声冲击机的电流参数和冲击覆盖率，以更改外部能量的输入值；
步骤五，冲击结束，在板状原料的表面生成一层合金新相，从而完成机械合金化。
具体地，步骤一中所述板状或近似板状的纯金属包括纯铜、纯铝、纯锡、纯铅、纯银等硬度低的工业纯金属；所述杆状的合金或纯金属包括硬度高的合金钢如GCr15、W18Cr4V，以及及纯钛等金属。实际使用时，应根据所选材料的硬度大小，将硬度低的材料制成板状或近似板状，将硬度高的材料做成杆状，以便于冲击。
具体地，步骤二中所述杆状原料的直径为3.5mm至10mm，所述网状方格中单个方格尺寸为3.5mm×3.5mm至10mm×10mm。杆状原料直径过小，无法控制表面冲击时的覆盖率，且杆的加工精度及强度无法保证；直径过大，无法在表面生成均匀连续的合金新相。
具体地，步骤四中所述冲击覆盖率是指，在保证冲头的移动速度均匀的情况下，让冲头沿着划好的网状方格移动，冲击能遍布整个试样表面的程度；试样整个表面都能遭受一次冲击所对应的冲击覆盖率为100％，试样整个表面都能遭受二次冲击所对应的冲击覆盖率为200％。
具体地，所述冲头的移动速度为1.0～1.5m/min，冲头个数可为单个或多个，所述电流控制在2.5A至5A之间，所述冲击覆盖率控制在300％或以上，根据具体的金属种类变化。电流和覆盖率过低，达不到发生合金化的能量输入要求，过高则会导致过烧或机器损坏的危险。
具体地，步骤五中冲击结束后还要对金属表面进行后处理。
实施例
被冲击材料为退火态纯铜板(纯度大于99.9％)，尺寸为100mm×60mm×4mm。采用天津大学焊接工程研究所研制的HJ-III型超声冲击机对材料表面进行处理。采用自制的冲头，将其套在冲击机上，以垂直的方向快速击打材料的表面使其产生塑性变形。本次实验采用三个并列的W18Cr4V冲头，直径为3.5mm，长为30mm。根据冲头直径大小，用记号笔在铜板表面画出网状方格，每个方格尺寸为3.5mm×3.5mm。调整电流为2.5A，将冲头对准每个小方格，在铜板表面均匀移动，速度保持在1.2m/min。全部表面都被冲击一遍后，重复整个过程两次，保证冲击覆盖率为300％。在外部大的冲击能量输入的前提下，表层金属除发生剧烈的塑性变形外，还会由于温度的迅速升高，有利于扩散、熔解等过程的进行，从而使合金化反应发生，最终在冲击表层上生成合金新相。冲击结束，用无水乙醇擦拭被冲击表面，保证清洁度。图1是本实施例中的纯铜板经超声冲击表面合金化后的扫描电镜照片，1为表面生成物，2为纯铜板。从图1可看出，冲击结束，纯铜板表层生成了一层新的物质，从其显微组织呈枝晶状的特点来看，该物质中包含固溶体相。
图2给出了纯铜板经超声冲击表面合金化后从表层到芯部不同深度处的硬度变化，从图2可以看出，纯铜板经超声冲击表面合金化后，其表面的硬度得到了明显的提高。从硬度增加的趋势来看，合金化生成物对表面硬度的提高起到了主要作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，准备原材料；所述原材料包括两种，一种是板状或近似板状的纯金属，其硬度相对较低；另一种是杆状的合金或纯金属，其硬度相对较高；
步骤二，根据杆状原料的直径在板状原料上划线，所述划线为网状方格，单个方格的边长等于杆状原料的直径；
步骤三，将杆状原料安装在超声冲击机上，以此为冲头，以垂直的方向快速击打板状材料的表面使其产生塑性变形；
步骤四，调整超声冲击机的电流参数和冲击覆盖率,以更改外部能量的输入值；
步骤五，冲击结束，在板状原料的表面生成一层合金新相，从而完成机械合金化。
2.根据权利要求1所述的一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：步骤一中所述板状或近似板状的纯金属包括纯铜、纯铝、纯锡、纯铅、纯银等硬度低的工业纯金属；所述杆状的合金或纯金属包括硬度高的合金钢如GCr15、W18Cr4V，以及纯钛等金属；实际使用时，根据所选材料的硬度大小，将硬度低的材料制成板状或近似板状，将硬度高的材料制成杆状，以便于冲击。
3.根据权利要求1所述的一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：步骤二中所述杆状原料的直径为3.5mm至10mm，所述网状方格中单个方格尺寸为3.5mm×3.5mm至10mm×10mm。
4.根据权利要求1所述的一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：步骤四中所述冲击覆盖率是指，在保证冲头的移动速度均匀的情况下，让冲头沿着划好的网状方格移动，冲击能遍布整个试样表面的程度；试样整个表面都能遭受一次冲击所对应的冲击覆盖率为100％，试样整个表面都能遭受二次冲击所对应的冲击覆盖率为200％。
5.根据权利要求4所述的一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：所述冲头的移动速度为1.0～1.5m/min，冲头个数可为单个或多个，所述电流控制在2.5A至5A之间，所述冲击覆盖率控制在300％或以上，根据具体的金属种类变化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种新型超声冲击金属表面机械合金化方法，其特征在于：步骤五中冲击结束后还要对金属表面进行后处理。
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