一种材料表面改性装置及改性方法

摘要

本发明公开了一种材料表面改性装置及改性方法，包括工作台、第二机架及表面加工装置，所述表面加工装置包括挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置；所述加热器用于对工件表面进行加热；所述填料释放装置用于向工件表面被加热区域释放用于材料改性的离子；所述挤压冲头用于对工件表面被加热区域进行冲压；所述冷却装置用于冷却工件被加热区域。所示方法对工件表面的待加工区域按照预处理、加热、喷入用于材料改性的离子、冲压、冷却的顺序处理待加工区域。本案提供的装置和方法用于金属材料表面改性，处理后形成的新表层在深度方向上金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布。

权利要求

1.一种材料表面改性装置，包括工作台（2）、第二机架（4）及设置于第二机架（4）上的表面加工装置（5），所述表面加工装置（5）用于对工作台（2）上的工件进行表面加工，其特征在于，所述表面加工装置（5）包括挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置；

所述加热器用于对工件表面进行加热；

所述填料释放装置用于向工件表面被加热区域释放用于材料改性的离子；

所述挤压冲头用于对工件表面被加热区域进行冲压，改性元素分布在经过挤压冲头作用后，自工件表面向工件心部逐渐减弱，处理后形成的新表层金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布；

所述冷却装置用于冷却工件被加热区域。

2.根据权利要求1所述的一种材料表面改性装置，其特征在于，所述挤压冲头包括压电换能器、超声信号发生器及冲头，所述冲头连接在压电换能器的机械振动输出端上，所述超声信号发生器的输出端连接在压电换能器的电能输入端上。

3.根据权利要求2所述的一种材料表面改性装置，其特征在于，所述冲头顶部呈滚珠状。

4.根据权利要求1所述的一种材料表面改性装置，其特征在于，还包括第一机架（1），所述工作台（2）固定于第一机架（1）上，所述第一机架（1）和/或工作台（2）上还设置有用于旋转工件的旋转装置。

5.根据权利要求4所述的一种材料表面改性装置，其特征在于，挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置四者均可与工作台（2）发生相对运动。

6.根据权利要求5所述的一种材料表面改性装置，其特征在于，还包括其上设置有滑槽的底座（3），所述第二机架（4）的下端安装于所述滑槽中，且第二机架（4）的下端在滑槽中的位置可调。

说明书

一种材料表面改性装置及改性方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料表面处理技术领域，特别是涉及一种材料表面改性装置及改性方法。

背景技术

[0002] 工程结构和设备的失效，往往是因为材料表面的摩擦、腐蚀、裂纹、疲劳等因素引起。例如，全世界每年生产的钢铁约10％因腐蚀而失效，大约30％的机电设备因此而损坏。世界几个主要发达国家的金属腐蚀造成的直接经济损失可到其国民生产总值的2-4％，数量非常可观。再如机械装备中的滚轴部件，经常受到摩擦作用，引起表层剥离而最终失效。
生产中往往通过表面工程技术，对材料表面进行特殊处理以改善工程材料表面某一方面的性能。表面工程是材料表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济价值和现实意义。

[0003] 现有用于材料表面处理的表面工程技术主要包括表面涂镀技术，例如化学镀；表面改性技术，例如喷丸强化；薄膜技术，例如气相沉积技术。针对表面工程技术作进一步研究，提升或优化对材料表面的处理能力以进一步提高材料表面的性能，是现有技术中表面工程技术的重要研究方向。

发明内容

[0004] 针对上述所述的针对表面工程技术作进一步研究，提升或优化对材料表面的处理能力以进一步提高材料表面的性能，是现有技术中表面工程技术的重要研究方向的问题，本发明提供了一种材料表面改性装置及改性方法，通过本案提供的装置和方法用于金属材料表面改性，处理后形成的新表层在深度方向上金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布。

[0005] 本发明提供的一种材料表面改性装置及改性方法通过以下技术要点来解决问题：一种材料表面改性装置，包括工作台、第二机架及设置于第二机架上的表面加工装置，所述表面加工装置用于对工作台上的工件进行表面加工，所述表面加工装置包括挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置；

[0006] 所述加热器用于对工件表面进行加热；

[0007] 所述填料释放装置用于向工件表面被加热区域释放用于材料改性的离子；

[0008] 所述挤压冲头用于对工件表面被加热区域进行冲压；

[0009] 所述冷却装置用于冷却工件被加热区域。

[0010] 现有的常用金属材料表面纳米化的手段主要包括管道法、喷射弹丸冲击法、超声速微粒轰击法、锤击法、表面扎制法、激光表面处理法、机械研磨法等。

[0011] 现有的金属材料表面工程技术主要有表面涂镀技术，例如化学度；表面改性技术，例如喷丸强化；薄膜技术，例如气相沉积技术。表面涂镀技术一般会在新强化层与被处理材料之间形成明显的界面。新强化层在经过长时间使用后容易在界面处产生剥离现象，最终失去强化或防护作用。薄膜技术除了存在界面剥离问题外，由于现有工艺的原因往往产生的薄膜层厚度较小，防腐，耐磨等性能会随着使用时间的增长而显著降低。

[0012] 本案提供的装置在进行金属工件表面处理时，所采用的工艺如下：1、对工件表面的待加工区域进行预处理；2、采用加热器对工件表面的待加工区域进行加热；3、采用填料释放装置向工件表面的待加工区域喷入用于材料改性的离子，在离子喷入的过程中或完成喷入后，采用挤压冲头对工件表面的待加工区域进行冲压；4、冲压完成后，采用冷却装置冷却工件表面的待加工区域。

[0013] 虽然本案提供的装置及方法与现有的超声速微粒轰击法、激光表面强化、表面轧制、机械研磨同属于金属材料表面改性技术，但超声速微粒轰击法由于微粒轰击路径的随机性，表面处理效果不均匀，存在欠处理或过处理的分散局部微小区域；激光表面强化技术由于在激光聚焦光斑处能量集中，有时使得材料局部温度达到汽化温度，与周边区域能量差别显著，垂直激光扫掠路径方向形成残余拉应力有时甚至引入微裂纹，不利于处理后所得工件的抗腐蚀和抗疲劳性能；表面轧制和机械研磨等冷加工表面处理方法，在表面产生剧烈塑性变形层的同时增强表面硬度。但是该方法在塑性变形层下会引入残余拉应力，容易引起疲劳裂纹的萌生。

[0014] 本案提供的装置中，通过对工件表面进行加热后在工件的表面引入用于材料改性的离子，如用于改变工件表面强度、耐磨性、耐腐蚀性等的离子，利用挤压冲头对工件表面的反复冲压，不仅能够在工件表面形成含有改性离子的细晶组织，同时所得的组织不同于现有处理技术所得的剧烈塑性剪切变形层，不会引入过大的残余拉应力；本装置中，由于工件表面的预热处理是与循环挤压力共同作用改变金相组织，因此所需预热温度不高，不需要达到相变温度，能够在热与力结合下起到热处理效果；针对工件整体而言，冷却装置使得在工件上形成小范围热处理区域，温度在工件一个较小的范围连续过渡变化，不会在工件上形成烧蚀或微裂纹，同时，冷却过程避免了二次再结晶，使表层维持了细化的新微观组织并保证一定厚度。因为加热，力加载和改性离子分布都是在很小的局部表面，温度分布，力分布，改性元素分布在经过挤压冲头作用后，自工件表面向工件心部逐渐减弱，处理后形成的新表层金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布，即由材料的表层逐渐向材料的心部过渡，因此新表层性能由表面向内连续变化，可有效避免工件在使用过程中新表层由工件上剥离，同时，通过本装置处理后的工件的改性表层厚度可达300μm。作为以上一种材料表面改性装置进一步的技术方案：

[0015] 作为以上挤压冲头的具体实现方式，所述挤压冲头包括压电换能器、超声信号发生器及冲头，所述冲头连接在压电换能器的机械振动输出端上，所述超声信号发生器的输出端连接在压电换能器的电能输入端上。本实现方式中，可在短时间内达到高周次的冲压加载，不仅可提高材料表面改性效率，同时本实现方式还具有能源消耗低的特点，同时，还便于在材料的表层利用超声频率循环压力载荷形成高密度位错的细晶组织，同时，本方案还便于通过对工件表面进行高频加载，在单次加载力不大的情况下，短时间内使得工件表面升温，通过更大的塑性变形或弹性变形将强化元素挤入更深厚度的材料次表面。

[0016] 作为一种冲头与材料表面接触面积小，同时使得被冲压部位能够保持较好光洁度的技术方案，所述冲头顶部呈滚珠状。本方案中，冲头可采用表面粗糙度Ra数值在3.2以下的高强度硬化光滑滚珠。

[0017] 作为一种便于加工圆柱状工件的技术方案，还包括第一机架，所述工作台固定于第一机架上，所述第一机架和/或工作台上还设置有用于旋转工件的旋转装置。以上旋转装置可采用轴承座，如设置为第一机架包括两个，工作台设置于两个第一机架之间，在两个第一机架上均设置轴承座用于工件的端部支撑，为减小工件的挠度，在工作台上设置用于工件中部支撑的装置，以上用于工件中部支撑的装置可采用两个平行的辊轮，辊轮的两端均通过轴承与工作台连接。

[0018] 为便于改变加工位置，挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置四者均可与工作台发生相对运动。

[0019] 作为一种便于改变本装置加工位置的具体实现方式，还包括其上设置有滑槽的底座，所述第二机架的下端安装于所述滑槽中，且第二机架的下端在滑槽中的位置可调。如针对轴类工件，以上滑槽的长度方向可设置为沿着工件的轴线方向。

[0020] 同时，本发明还提供了一种材料表面改性方法，包括顺序进行的以下步骤：

[0021] S1、对工件表面的待加工区域进行预处理；

[0022] S2、对工件表面的待加工区域进行加热；

[0023] S3、向工件表面的待加工区域喷入用于材料改性的离子，在离子喷入的过程中或完成喷入后，对工件表面的待加工区域进行冲压；

[0024] S4、冷却工件表面的待加工区域。

[0025] 以上所述的改性方法可作为如上所述装置的使用方法，通过以上方法，可获得新表层不易与工件上剥离、改性表层厚度更厚的工件。

[0026] 以上挤压冲头对工件表面被加热区域进行冲压可在振动器的作用下实现，这样，可方便实现高周次循环震动加载；进一步的，在挤压冲头对对应的工件表面作用时，使得挤压冲头相对于对应的工件表面不仅具有沿着挤压冲头与工件表面间距方向的运动，同时具有改变挤压冲头在工件表面上投影位置的运动，即挤压冲头与工件表面相互作用时，挤压冲头不仅受压力，同时还受剪力，这样，可在工件表面上形成含有高密度位错的细晶组织，高位错密度下的位错缠绕有利于提高工件表面的硬度和耐磨性等；为进一步提升所述细晶组织的位错密度，所述挤压冲头上的压力为变力。

[0027] 作为以上所述的一种材料表面改性方法进一步的技术方案：

[0028] 为利于工件的表面加工质量，步骤S1中的预处理为对工件表面的待加工区域进行除锈、去油污处理。

[0029] 为提升本方法的处理效率、降低本方法的处理功耗，步骤S3中的冲压为对工件表面进行高频冲压，所述高频冲压为采用输出频率在20kHz以上的超声信号发生器及与该超声正弦波信号匹配的压电换能器对工件的对应表面进行反复冲压。同时，本方案通过对工件表面进行高频加载，在单次加载力不大的情况下，短时间内使得工件表面升温，通过更大的塑性变形或弹性变形将强化元素挤入更深厚度的材料次表面。

[0030] 作为一种冲头与材料表面接触面积小，同时使得被冲压部位能够保持较好光洁度的技术方案，所述冲压所采用的冲头的表面为光滑面。本方案中，冲头可采用表面粗糙度Ra数值在3.2以下的高强度硬化光滑滚珠。

[0031] 本发明具有以下有益效果：

[0032] 本案提供的装置和方法用于金属工件的表面处理，本案提供的装置及方法中，因为加热，力加载和改性离子分布都是在很小的局部表面，温度分布，力分布，改性元素分布在经过挤压冲头作用后，自工件表面向工件心部逐渐减弱，处理后形成的新表层金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布，即由材料的表层逐渐向材料的心部过渡，因此新表层性能由表面向内连续变化，可有效避免工件在使用过程中新表层由工件上剥离，同时，通过本装置处理后的工件的改性表层厚度可达300μm。

[0033] 本案提供的装置和方法区别于现有技术，由于加工方法的改变，用于冲压的挤压冲头、用于表面加热的加热器、用于向被加工面上添加改性离子的填料释放装置、用于被加工表面冷却的冷却装置相对于现有等同的加工技术，各个部件可设置得更为小巧、能耗更低，可根据具体的加工需要对材料表面进行多道次处理。

附图说明

[0034] 图1是本发明提供的一种材料表面改性装置一个具体实施例的结构示意图。

[0035] 图中的附图标记依次为：1、第一机架，2、工作台，3、底座，4、第二机架，5、表面加工装置。

具体实施方式

[0036] 下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

[0037] 实施例1：

[0038] 如图1，一种材料表面改性装置，包括工作台2、第二机架4及设置于第二机架4上的表面加工装置5，所述表面加工装置5用于对工作台2上的工件进行表面加工，所述表面加工装置5包括挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置；

[0039] 所述加热器用于对工件表面进行加热；

[0040] 所述填料释放装置用于向工件表面被加热区域释放用于材料改性的离子；

[0041] 所述挤压冲头用于对工件表面被加热区域进行冲压；

[0042] 所述冷却装置用于冷却工件被加热区域。

[0043] 现有的常用金属材料表面纳米化的手段主要包括管道法、喷射弹丸冲击法、超声速微粒轰击法、锤击法、表面扎制法、激光表面处理法、机械研磨法等。

[0044] 现有的金属材料表面工程技术主要有表面涂镀技术，例如化学度；表面改性技术，例如喷丸强化；薄膜技术，例如气相沉积技术。表面涂镀技术一般会在新强化层与被处理材料之间形成明显的界面。新强化层在经过长时间使用后容易在界面处产生剥离现象，最终失去强化或防护作用。薄膜技术除了存在界面剥离问题外，由于现有工艺的原因往往产生的薄膜层厚度较小，防腐，耐磨等性能会随着使用时间的增长而显著降低。

[0045] 本案提供的装置在进行金属工件表面处理时，所采用的工艺如下：1、对工件表面的待加工区域进行预处理；2、采用加热器对工件表面的待加工区域进行加热；3、采用填料释放装置向工件表面的待加工区域喷入用于材料改性的离子，在离子喷入的过程中或完成喷入后，采用挤压冲头对工件表面的待加工区域进行冲压；4、冲压完成后，采用冷却装置冷却工件表面的待加工区域。

[0046] 虽然本案提供的装置及方法与现有的超声速微粒轰击法、激光表面强化、表面轧制、机械研磨同属于金属材料表面改性技术，但超声速微粒轰击法由于微粒轰击路径的随机性，表面处理效果不均匀，存在欠处理或过处理的分散局部微小区域；激光表面强化技术由于在激光聚焦光斑处能量集中，有时使得材料局部温度达到汽化温度，与周边区域能量差别显著，垂直激光扫掠路径方向形成残余拉应力有时甚至引入微裂纹，不利于处理后所得工件的抗腐蚀和抗疲劳性能；表面轧制和机械研磨等冷加工表面处理方法，在表面产生剧烈塑性变形层的同时增强表面硬度。但是该方法在塑性变形层下会引入残余拉应力，容易引起疲劳裂纹的萌生。

[0047] 本案提供的装置中，通过对工件表面进行加热后在工件的表面引入用于材料改性的离子，如用于改变工件表面强度、耐磨性、耐腐蚀性等的离子，利用挤压冲头对工件表面的反复冲压，不仅能够在工件表面形成含有改性离子的细晶组织，同时所得的组织不同于现有处理技术所得的剧烈塑性剪切变形层，不会引入过大的残余拉应力；本装置中，由于工件表面的预热处理是与循环挤压力共同作用改变金相组织，因此所需预热温度不高，不需要达到相变温度，能够在热与力结合下起到热处理效果；针对工件整体而言，冷却装置使得在工件上形成小范围热处理区域，温度在工件一个较小的范围连续过渡变化，不会在工件上形成烧蚀或微裂纹，同时，冷却过程避免了二次再结晶，使表层维持了细化的新微观组织并保证一定厚度。因为加热，力加载和改性离子分布都是在很小的局部表面，温度分布，力分布，改性元素分布在经过挤压冲头作用后，自工件表面向工件心部逐渐减弱，处理后形成的新表层金属微观结构和改性元素浓度呈梯度分布，即由材料的表层逐渐向材料的心部过渡，因此新表层性能由表面向内连续变化，可有效避免工件在使用过程中新表层由工件上剥离，同时，通过本装置处理后的工件的改性表层厚度可达300μm。

[0048] 同时，本实施例还提供了一种材料表面改性方法，包括顺序进行的以下步骤：

[0049] S1、对工件表面的待加工区域进行预处理；

[0050] S2、对工件表面的待加工区域进行加热；

[0051] S3、向工件表面的待加工区域喷入用于材料改性的离子，在离子喷入的过程中或完成喷入后，对工件表面的待加工区域进行冲压；

[0052] S4、冷却工件表面的待加工区域。

[0053] 以上所述的改性方法可作为如上所述装置的使用方法，通过以上方法，可获得新表层不易与工件上剥离、改性表层厚度更厚的工件。

[0054] 实施例2：

[0055] 本实施例在实施例1的基础上对本案作进一步优化：如图1所示，作为以上挤压冲头的具体实现方式，所述挤压冲头包括压电换能器、超声信号发生器及冲头，所述冲头连接在压电换能器的机械振动输出端上，所述超声信号发生器的输出端连接在压电换能器的电能输入端上。本实现方式中，可在短时间内达到高周次的冲压加载，不仅可提高材料表面改性效率，同时本实现方式还具有能源消耗低的特点，同时，还便于在材料的表层利用超声频率循环压力载荷形成高密度位错的细晶组织，同时，本方案还便于通过对工件表面进行高频加载，在单次加载力不大的情况下，短时间内使得工件表面升温，通过更大的塑性变形或弹性变形将强化元素挤入更深厚度的材料次表面。

[0056] 作为一种冲头与材料表面接触面积小，同时使得被冲压部位能够保持较好光洁度的技术方案，所述冲头顶部呈滚珠状。本方案中，冲头可采用表面粗糙度Ra数值在3.2以下的高强度硬化光滑滚珠。

[0057] 作为一种便于加工圆柱状工件的技术方案，还包括第一机架1，所述工作台2固定于第一机架1上，所述第一机架1和/或工作台2上还设置有用于旋转工件的旋转装置。以上旋转装置可采用轴承座，如设置为第一机架1包括两个，工作台2设置于两个第一机架1之间，在两个第一机架1上均设置轴承座用于工件的端部支撑，为减小工件的挠度，在工作台2上设置用于工件中部支撑的装置，以上用于工件中部支撑的装置可采用两个平行的辊轮，辊轮的两端均通过轴承与工作台2连接。

[0058] 为便于改变加工位置，挤压冲头、加热器、填料释放装置及冷却装置四者均可与工作台2发生相对运动。

[0059] 作为一种便于改变本装置加工位置的具体实现方式，还包括其上设置有滑槽的底座3，所述第二机架4的下端安装于所述滑槽中，且第二机架4的下端在滑槽中的位置可调。如针对轴类工件，以上滑槽的长度方向可设置为沿着工件的轴线方向。

[0060] 实施例3：

[0061] 本实施例在实施例1的基础上对本案作进一步优化：为利于工件的表面加工质量，步骤S1中的预处理为对工件表面的待加工区域进行除锈、去油污处理。

[0062] 为提升本方法的处理效率、降低本方法的处理功耗，步骤S3中的冲压为对工件表面进行高频冲压，所述高频冲压为采用输出频率在20kHz以上的超声信号发生器及与该超声正弦波信号匹配的压电换能器对工件的对应表面进行反复冲压。同时，本方案通过对工件表面进行高频加载，在单次加载力不大的情况下，短时间内使得工件表面升温，通过更大的塑性变形或弹性变形将强化元素挤入更深厚度的材料次表面。

[0063] 作为一种冲头与材料表面接触面积小，同时使得被冲压部位能够保持较好光洁度的技术方案，所述冲压所采用的冲头的表面为光滑面。本方案中，冲头可采用表面粗糙度Ra数值在3.2以下的高强度硬化光滑滚珠。

[0064] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。