劉 成

（中吉閥門制造有限公司，臺(tái)州 317600）

金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

劉 成

（中吉閥門制造有限公司，臺(tái)州 317600）

本文對(duì)傳統(tǒng)的表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)和特點(diǎn)進(jìn)行回顧，介紹并評(píng)述近些年發(fā)展和應(yīng)用較好的金屬材料——超聲表面強(qiáng)化技術(shù)，主要包括超聲沖擊處理技術(shù)、超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)以及超聲深滾強(qiáng)化和滾光技術(shù)。介紹其研發(fā)現(xiàn)狀，對(duì)其特點(diǎn)、限制和傳統(tǒng)的表面接卸強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行比較，提出針對(duì)金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展建議。

金屬材料 超聲表面 強(qiáng)化技術(shù)

機(jī)械零件失效的主要形式是磨損、腐蝕以及疲勞。各種類型的機(jī)械設(shè)備，都會(huì)因?yàn)槟p、腐蝕、疲勞等原因，使設(shè)備壽命縮短，能耗提高。利用表面強(qiáng)化技術(shù)，可以使零件的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，將硬化進(jìn)行冷卻，有效減小表面粗糙度，提高零件的耐磨性、耐腐蝕性以及疲勞強(qiáng)度。尤其是金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)，在近些年得到了廣泛應(yīng)用。

1 超聲沖擊處理技術(shù)

超聲沖擊處理技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)能量是大功率超聲。它主要借助壓電陶瓷和磁致伸縮換能器，使電能得到有效轉(zhuǎn)化，最終變成機(jī)械能。通過(guò)變幅聚能后，對(duì)焊接表面進(jìn)行沖擊碰撞，材料的表面形成局部的塑性變形，有效降低焊接的殘余應(yīng)力，減小焊趾變形，提高其主要的抗疲勞性能。超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)癥狀的超聲表面強(qiáng)化技術(shù)也可以被稱作超聲沖擊處理技術(shù)，而超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)丸粒的超聲表面強(qiáng)化技術(shù)還可以被稱作超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)。

我國(guó)主要是在20世紀(jì)90年代對(duì)UIT進(jìn)行研究，主要研究超聲沖擊處理對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的主要作用。利用超聲沖擊的處理技術(shù)，可以將焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行有效改變。在我國(guó)的焊接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，超聲沖擊處理技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。而UIT技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有：可以將焊接接頭的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行大幅度提高，有效降低焊接殘余應(yīng)力，產(chǎn)生更多有益的殘余壓應(yīng)力；有效提高焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能；在實(shí)際施工過(guò)程中，在焊趾表面部位會(huì)萌生出很多疲勞裂紋，而利用UIT技術(shù)可以進(jìn)行有效消除；對(duì)于焊趾具體的幾何形狀，可以得到有效改善，有效降低應(yīng)力集中；針對(duì)超聲振動(dòng)應(yīng)力薄，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性具有很高要求，利用UIT可以有效提高其穩(wěn)定性。

利用UIT不僅可以有效強(qiáng)化焊接接頭的抗疲勞性，而且可以在材料表面進(jìn)行改進(jìn)處理。有關(guān)這個(gè)方面的研究，俄羅斯和烏克蘭早期就已經(jīng)著手研究。近年來(lái)，我國(guó)的相關(guān)工作不斷增加，例如利用UIT對(duì)超高鋼抗應(yīng)力腐蝕性能的影響，對(duì)鋼軌鋼組織的影響，對(duì)合金的力學(xué)性能等各個(gè)方面進(jìn)行有效改善。

2 超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)

超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)自身具有很大的功率超聲，可以將其視為驅(qū)動(dòng)能量，主要借助超聲換能器和變幅器驅(qū)動(dòng)金屬對(duì)其表面進(jìn)行噴丸處理。和傳統(tǒng)的氣動(dòng)噴丸強(qiáng)化進(jìn)行有效比較，USP主要是利用超聲振動(dòng)能量對(duì)丸粒進(jìn)行推動(dòng)使其飛行，對(duì)需要處理的表面進(jìn)行轟擊。這個(gè)過(guò)程中，不需要壓縮空氣，所利用的丸粒數(shù)量也較少，且可以進(jìn)行循環(huán)使用。如果使用合金和陶瓷等高質(zhì)量的丸粒，其帶來(lái)的沖擊能量也比較大。USP技術(shù)自身具有很強(qiáng)的工藝可控性，主要是因?yàn)槠渥陨淼闹睆胶兔芏葘?duì)其定制具有很大的方便性，應(yīng)以其超聲波振幅和頻率為基礎(chǔ)，對(duì)其處理需要進(jìn)行有效的確定。如果使用的丸粒直徑較大，那么所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也會(huì)比較大。通過(guò)USP處理的表面，其粗糙度比較低。利用USP對(duì)超聲變幅桿的高頻振動(dòng)，可以借助沖擊針，在需要處理的零件表面進(jìn)行直接傳遞。當(dāng)前，國(guó)際噴丸強(qiáng)化領(lǐng)域受到很大重視。針對(duì)材料表面的納米化處理防范，應(yīng)用USP技術(shù)開(kāi)展了大量相關(guān)研究工作。USP自身存在諸多優(yōu)越性，在我國(guó)具有良好的發(fā)展前景。但是，被噴零件結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)對(duì)其起到限制。在利用USP技術(shù)的過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)際的零件進(jìn)行有關(guān)表面的處理。以零件的具體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，選擇進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工的超聲噴丸工具頭和丸粒循環(huán)腔體。丸粒進(jìn)行有效回彈和碰撞，會(huì)對(duì)能量進(jìn)行消耗。

針對(duì)USP表面納米化處理對(duì)材料的抗疲勞性產(chǎn)生作用，會(huì)受到很多因素的影響。一方面，通過(guò)超聲噴丸產(chǎn)生參與壓力；另一方面，納米化、加工硬化等，會(huì)產(chǎn)生具體的強(qiáng)化效果，可以提高材料的抗疲勞性。然后，再進(jìn)行表面納米處理，增加表面粗糙度，甚至還會(huì)產(chǎn)生表面微裂紋，降低材料的抗腐蝕性，對(duì)材料的抗疲勞性能產(chǎn)生不利影響。與此同時(shí)，在加工硬化的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生殘余壓實(shí)力，如果高溫情況，就會(huì)變得松弛。上述具體的影響、需要處理的材料、超聲噴丸處理工藝以及疲勞載荷等因素，具有十分密切的關(guān)系。因此，要針對(duì)具體問(wèn)題，開(kāi)展針對(duì)性研究。在腐蝕環(huán)境下，如果需要應(yīng)用，則需對(duì)USP表面納米化處理、對(duì)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕性能展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

3 超聲深滾強(qiáng)化和滾光技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)的滾光強(qiáng)化技術(shù)，主要在工具頭上進(jìn)行施加，使材料表面發(fā)生變形，使其可以產(chǎn)生消峰填谷的作用，從而有效提高零件抗疲勞性能。在機(jī)械制造中，滾壓加工得到廣泛應(yīng)用。在滾壓強(qiáng)化的具體處理過(guò)程中，如果在工具頭上施加過(guò)大的靜壓力，表面就會(huì)產(chǎn)生劃傷和撕裂。與此同時(shí)，還會(huì)形成殘余切應(yīng)力，不便于薄壁零件的處理。

我國(guó)在很早就開(kāi)始研究有關(guān)振動(dòng)擠壓工具的設(shè)計(jì)工作，主要針對(duì)處理表面粗糙度的變化規(guī)律進(jìn)行有效的研究，并不斷優(yōu)化擠壓工藝。有關(guān)超聲振動(dòng)的滾壓技術(shù)，其主要的原理都是基本相同的，即在超聲變幅桿的頭部，對(duì)超聲振動(dòng)進(jìn)行直接利用，使需要處理的表面產(chǎn)生沖擊和擠壓，引入?yún)⑴c壓實(shí)力和細(xì)化晶粒，從而產(chǎn)生表面拋光作用。所以，它可以稱為超聲無(wú)磨料拋光技術(shù)。如果工具頭和超聲變幅桿產(chǎn)生連接，這時(shí)壓入量較大或者具體的進(jìn)給較快，那么對(duì)材料的表面就會(huì)產(chǎn)生表面劃傷，或者會(huì)使工具頭產(chǎn)生磨損。利用超聲深滾和滾光一體化技術(shù)，在工具頭和被處理表面會(huì)形成沒(méi)有劃傷的表面，這樣就會(huì)大大降低工具頭的磨損。針對(duì)金屬零件表面的光整技術(shù)，其具體的超聲深滾處理可以根據(jù)靜壓力的具體大小和超聲減摩作用，使需要處理的表面避免受到損傷。而抗疲勞強(qiáng)化技術(shù)，可利用超聲深滾，主要是在需要處理的表面，細(xì)化表層材料的晶粒，消除加工紋理，從而有效改善被處理表面的表面粗糙度。近些年，我國(guó)超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)具體的研究應(yīng)用得到了有效拓展和發(fā)展。利用超聲振動(dòng)螺紋滾擠壓強(qiáng)化，可以有效降低螺紋的表面粗糙度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用，其相關(guān)研究也在不斷提高。當(dāng)前，可將超聲表面強(qiáng)化處理技術(shù)和激光沖擊處理技術(shù)進(jìn)行有效聯(lián)合，促進(jìn)其擁有更加廣闊的發(fā)展領(lǐng)域。

[1]張罡，畢鑒智，李玉海，姚俊.強(qiáng)流脈沖離子束金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)在中國(guó)的研究進(jìn)展[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（1）：1-5.

[2]溫宗胤，馮樹(shù)強(qiáng)，李寶靈，徐永賓.汽車模具材料表面強(qiáng)化中的激光相變硬化技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015，（1）：118-121.

[3]葉迅.市場(chǎng)預(yù)測(cè)激光金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[J].表面工程資訊，2012，（4）：12.

[4]常雪靈，楊勝韜，趙宇亮.碳納米材料的同位素標(biāo)記及其在納米毒理分析研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)：化學(xué)，2016，（2）：173-187.

[5]吝章國(guó).先進(jìn)高強(qiáng)度汽車用鋼板研究進(jìn)展與技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].河北冶金，2016，（1）：1-7.

Progress in Research and Application of Ultrasonic Surface Hardening Technology for Metallic Materials

LIU Cheng
(Zhong Ji Valve Manufacturing Co., Ltd., Taizhou 317600)

This paper surface of traditional mechanical strengthening technique and characteristic of the review, introduces and comments on in recent years, the development and application of good metal materials by surface strengthening technology, mainly including ultrasonic impact treatment technology, ultrasonic shot peening strengthening technique and Ultrasonic Deep Rolling strengthening and rolling technology. Introduces its research and development status, the characteristics, limitations and traditional surface loading and unloading strengthening technique for comparison of, the metal material ultrasonic surface strengthening technology development proposals.

metal materials, ultrasonic surface, strengthening technology