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        豪克能金屬表面納米化處理提高疲勞壽命研究

              機械零部件廣泛應用在船舶、壓力容器、車輛、橋梁、海洋工程、工程機械、航空航天、電力、冶金等重要領域.這些重要機械結構和部件往往會因疲勞、磨損和腐蝕等問題引起過早失效.因此,有效提高機械零部件抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕性能,保證機械裝備安全運行,延長其有效服役壽命,具有重要的經濟和實用價值.

              現階段國內外主要采用堆焊、噴涂和噴熔方式或表面淬火、滲碳、電鍍、滲氮熱處理等常規表面處理工藝來提高機械零部件抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕能力.表面淬火、滲碳、滲氮等因效率、設備、成本和能耗的限制,影響了其在機械結構和零部件中的應用前景,因此國內外相關研究和應用逐漸轉向堆焊、噴涂、熔敷方式。但這些工藝也存有一定問題,如堆焊和熔敷方式易于表面冷裂;噴涂方式因結合強度過低而容易導致耐磨材料脫落.作為一種表面改性新方法,金屬表面納米化處理技術就是利用納米金屬材料的優異性能,在傳統工程金屬材料表面制備出一層有納米晶體結構的表面層,進而提高材料的綜合力學性能.迄今為止,人們提出了多種納米材料制備方法,如金屬蒸發冷凝-原位冷壓成型法、非品品化法日、機械研磨法和強烈塑性變形法等.但是,由于制備工藝復雜、生產成本高和材料外形、尺寸有限等因素制約,現有制備技術還難于應用到實際.目前,所應用的超音速微粒轟擊金屬表面與豪克能噴丸等技術已在純鐵、奧氏體不銹鋼8、16M nR鋼、低碳鋼和鋁合金等金屬表面獲得了納米層,但是處理過程效率低下,對被加工工件尺寸、形狀等有一定限制,更主要的是加工處理后表面質量很差(粗糙),因而還不具備實用條件.

              利用豪克能沖擊能量在金屬機械零部件上方便、快速、低成本、大規模地進行表面納米化加工處理的新方法,該方法可以在獲得納米結構層和納米級表面質量(粗糙度)的同時引入高數值表面壓縮應力,使得機械零件抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕性能得以大幅度提高,最終低成本地延長其使用壽命.在一定程度上可替代部分高成本表面處理方法(如噴涂、沉積、電鍍和離子注入等)及表面質量差和低效率的機械表面納米化處理方法.


        豪克能金屬表面納米化原理及其裝置

              豪克能金屬表面納米化處理是一種沖擊式壓力光整加工方法,其實質是通過引入功率豪克能頻機械振動而對傳統表面壓光工藝進行巧妙而合理的改良.

              其工作原理如下:通過衰克能表面納米化加工處理,工作頭沿表面法線方向給工件施加一定幅度的豪克能頻機械振動,并在一定靜壓力和進給速度條件下,工作頭將壓力和豪克能沖擊振動傳遞給處于旋轉狀態的被加工機械零部件表面,利用豪克能沖擠作用使材料產生彈塑性變形;當沖擊頭通過工件后,工件表面產生一定彈性恢復。而沖擊頭沖擠所產生的塑性流動卻將工件表面原有的微觀波峰壓平,使其填充到波谷位置,從而改變金屬表面微觀結構并提高其綜合力學性能〔顯然,被加工處理機械零部件表面金屬塑性流動在其表面上所產生的波谷被波峰填滿的效應,能夠大大降低共表面粗糙度R值,如果加工處理工藝參數設置適當。則工件表面粗糙度Ra甚至能夠降低到納米水平(即小于100nm).與此同時,在豪克能沖擊和靜壓力擠壓聯合作用下,使金屬表面所產生的劇烈而均勻的塑性變形必然引起機械零部件表面和次表面造成大量位錯、空穴。導致其一定深度表層的原始狀態晶粒被嚴重地打碎細化,從而獲得相應微觀納米結構層.



        當然,由于工件表面被均勻壓縮,因此豪克能沖擠過程必然伴隨著高數值殘余壓縮表面應力的產生,這對提高機械零都件的抗疲勞和耐磨損性能是很有利的.

        (1)經豪克能表面納米加工裝置對45鋼表面處理,獲得了納米結構表層,平均晶粒尺寸約為50 nm.

        (2)豪克能表面納米加工處理后,表面粗糙度值比加工前降為原始樣品的1/100.

        ( 3)表面硬度隨深度增加明顯減少,表層與心部未變化組織相比,硬度值約提高1倍.( 4)豪克能表面納米加工處理使試樣表面產生了750MPa以上壓縮應力.

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