一種高強(qiáng)鈦合金管材表面硬化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)鈦合金管材的外表面硬化方法。具體涉及一種鈦合金管材的外表面超聲沖擊硬化加工工藝，該工藝能夠有效提高鈦合金管材的外表面硬度和耐磨性，降低表面粗糙度。
【背景技術(shù)】
[0002]高強(qiáng)鈦合金管材具有強(qiáng)度高、密度低、耐蝕性和耐熱性好等特點(diǎn)，是航空、航天、石油、化工、船舶等領(lǐng)域關(guān)鍵部位的理想材料。但是由于鈦合金的硬度較低，摩擦系數(shù)大，耐磨性差等缺點(diǎn)，一定程度上影響了其使用壽命和應(yīng)用范圍。采用合適的表面硬化技術(shù)，在不降低基體力學(xué)性能的前提下，提高鈦合金管材的表面硬度，是提高其表面耐磨性和使用壽命的有效途徑，可以擴(kuò)大高強(qiáng)鈦合金管材的應(yīng)用范圍。因此，相關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)鈦合金表面硬化技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。
[0003]目前對(duì)金屬的表面硬化方法幾乎全部應(yīng)用到了鈦合金的表面處理上，公開報(bào)道可見的針對(duì)鈦合金的表面硬化處理方法包括化學(xué)熱處理(氣體滲氮、離子氮化)、表面噴丸處理、離子注入、表面陽(yáng)極氧化處理、表面涂層技術(shù)、氣相沉積薄膜技術(shù)、電火花加工、激光加工等。
[0004]氣體滲氮或離子氮化的方法，雖然能夠提高鈦合金表面硬度，但由于為了提高滲氮效率，滲氮?jiǎng)┬韬邪被虻?氫混合氣體，而且氮化過程必須在較高的高溫下進(jìn)行，滲氮這些滲劑中的氫極易導(dǎo)致鈦合金因吸氫而產(chǎn)生氫脆。因此，滲氮過程中，不允許有氫的氣氛存在，導(dǎo)致氮化效率極低，氮化層深度及硬度難以達(dá)到使用要求。
[0005]噴丸處理通過使鈦合金表面產(chǎn)生塑形變形而達(dá)到表面強(qiáng)化的目的，但是噴丸會(huì)使乳制的鈦合金管材光潔的表面粗糙度增大，這樣盡管提高了自身的耐磨性，但是容易導(dǎo)致與該鈦合金部件相配合的其他零件產(chǎn)生磨損。
[0006]離子注入法的主要優(yōu)點(diǎn)在于膜層與基體結(jié)合好，抗剝落能力強(qiáng)，注入過程不要求升高基體溫度，從而可保持工件幾何精度。但是離子注入法效率低，且現(xiàn)有的離子注入設(shè)備不適合對(duì)長(zhǎng)度3米以上的管材進(jìn)行表面處理。
[0007]表面陽(yáng)極氧化處理是提高鈦合金耐蝕性和耐磨性的常用途徑，但是由于鈦合金管材在加工及熱處理過程中，表面易形成致密氧化膜，在陽(yáng)極氧化必須有效清除，否則嚴(yán)重影響陽(yáng)極氧化膜質(zhì)量，然而它的清理難度較大。另外，無(wú)論是去除原始氧化層，還是陽(yáng)極氧化過程，都需要?jiǎng)佑么罅康乃?、堿及多種化學(xué)試劑，大大增加了后續(xù)廢水處理成本，而且還難以達(dá)到越來(lái)越茍1刻的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
[0008]表面涂層技術(shù)是改善鈦合金抗氧化性的有效方法，但是若用于提高鈦合金表面硬度及耐磨性，這種硬質(zhì)涂層與鈦合金基體的容易發(fā)生開裂和剝落。
[0009]氣相沉積法在鈦合金表面制備類金剛石薄膜，可提高鈦合金的表面硬度和耐摩擦性。但是膜中鈦含量超過9%時(shí)，膜的硬度將會(huì)下降，且膜與基體結(jié)合力有限。
[0010]激光熔覆加工是將CoCrW等合金粉末在鈦合金表面形成熔覆圖層，從而提高鈦合金表面硬度及耐磨性，但是膜層的均勻性、致密性及裂紋問題尚未解決，且這種方法難以在大長(zhǎng)度鈦合金管材表面實(shí)現(xiàn)全覆蓋。
[0011]微弧氧化(MAO)技術(shù)是通過微弧放電區(qū)瞬間高溫高壓燒結(jié)直接把基體金屬變成氧化物陶瓷，并獲得較厚的氧化物膜，膜的硬度高并與金屬基體結(jié)合良好，改善了鈦合金表面的抗磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊等性能，具有較好的應(yīng)用前景。
[0012]超聲沖擊加工是利用大功率的超聲波推動(dòng)沖擊工具以每秒一萬(wàn)次以上的頻率沖擊金屬物體表面，使金屬表層產(chǎn)生較大的壓塑性變形，超聲沖擊部位得以強(qiáng)化，從而使金屬表面層的強(qiáng)度和硬度都有顯著的提高，同時(shí)降低工件表面粗糙度。中國(guó)專利CN101503755、CN101502881等僅提供了超聲波金屬表面加工裝置，并未給出具體加工工藝。中國(guó)專利CN1013111972A、CN103072049A、CN103084648A、CN103084634A、CN103084608A 分別提供了在車床、外圓磨床、刨床、銑床、鏜床采用超聲波加工方法對(duì)碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁等5種材質(zhì)金屬的表面加工工藝。
[0013]截至目前，未見采用超聲波沖擊加工方法提高鈦合金表面硬度的相關(guān)加工工藝報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)鈦合金管材表面硬化方法，具體使用車床、頻率為30KHz超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具，對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材表面采用超聲波沖擊加工工藝進(jìn)行硬化，其特征在于，包括如下步驟:
[0015]I)將超聲波加工專用刀具安裝在車床的刀架上；
[0016]2)將連接超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具的線纜接好；
[0017]3)將高強(qiáng)鈦合金管材裝夾于車床主軸，高強(qiáng)鈦合金管材在進(jìn)行超聲波表面硬化加工之前需滿足如下要求:
[0018]a)直線度:< lmm/m
[0019]b)外徑圓度:< 0.05mm
[0020]c)外徑公差:<0.1_
[0021]d)表面粗糙度:Ra0.8?3.2ym
[0022]e)超聲波加工余量:0.005?0.06mm;
[0023]4)調(diào)整刀具位置，使刀具的中心與管材中心高度偏差< ±0.5mm，且刀具中心與管材表面接觸并對(duì)管材施加30?300kg的壓力；
[0024]5)開啟超聲波設(shè)備，調(diào)整超聲設(shè)備電流值至0.8A?1.2A;
[0025]6)啟動(dòng)車床，調(diào)整車床轉(zhuǎn)速，使鈦合金管材外表面旋轉(zhuǎn)的線速度控制在10?20m/min，超聲波專用刀具的縱向走刀速度控制在0.15?0.3mm;
[0026]7)加工完畢，將超聲波設(shè)備電流值調(diào)到0.5A以下，關(guān)閉超聲波設(shè)備開關(guān)。
[0027]8)對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材表面進(jìn)行測(cè)試，管材的表面粗糙度值達(dá)到Ra0.4以下，硬度提高25%以上，耐磨性顯著提高;或在車床上安裝自動(dòng)測(cè)試裝置，當(dāng)場(chǎng)顯示硬度或粗糙度測(cè)試結(jié)果。
[0028]本發(fā)明的有益效果是提供了在車床上采用超聲波加工方式對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材進(jìn)行表面硬化加工的工藝參數(shù)，按此工藝操作，可以使高強(qiáng)鈦合金管材外表面獲得表面粗糙度值達(dá)到Ra0.4以下，硬度提高25%以上的超聲波硬化效果。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明提供一種高強(qiáng)鈦合金管材表面硬化方法，具體使用車床、頻率為30KHz超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具，對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材表面采用超聲波沖擊加工工藝進(jìn)行硬化，?以TClO鈦合金管材為例，其表面超聲波沖擊加工工藝具體如下:
[0030](I)該超聲波沖擊加工工藝用到的設(shè)備包括車床、輸出頻率為30KHz的超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具；
[0031](2)把超聲波加工專用刀具安裝在車床的刀架上；
[0032](3)將連接超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具的線纜接好；
[0033](4)將Φ52ΧΦ40Χ3000πιπι的TClO鈦合金管材裝夾于車床主軸，裝卡方式與車削加工時(shí)一致。為了防止管材在刀具壓力下彎曲變形，應(yīng)安裝使用跟刀架。TClO鈦合金管材在進(jìn)行超聲波表面硬化加工之前需滿足如下要求:
[0034]f)直線度
[0035]g)外徑圓度:< 0.05mm
[0036]Ii)外徑公差:< 0.1 mm
[0037]丨)表面粗糙度:1^0.8?1.64111
[0038]j)超聲波加工余量:0.01?0.03mm
[0039](5)調(diào)整刀具位置，使刀具的中心與管材中心高度偏差< ±0.5mm，且刀具中心與管材表面接觸并對(duì)管材施加30?300kg的壓力；
[0040](6)開啟超聲波設(shè)備，調(diào)整超聲設(shè)備電流值至1.2A;
[0041](7)啟動(dòng)車床，調(diào)整車床轉(zhuǎn)速，使鈦合金管材外表面旋轉(zhuǎn)的線速度控制在15m/min，超聲波專用刀具的縱向走刀速度控制在0.2mm;
[0042](8)加工完畢后，將超聲波設(shè)備電流值調(diào)到0.5A以下，關(guān)閉超聲波設(shè)備開關(guān)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高強(qiáng)鈦合金管材表面硬化方法，具體使用車床、頻率為30KHZ超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具，對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材表面采用超聲波沖擊加工工藝進(jìn)行硬化，其特征在于，包括如下步驟: 1)將超聲波加工專用刀具安裝在車床的刀架上； 2)將連接超聲波發(fā)生器、超聲表面加工裝置及超聲波加工專用刀具的線纜接好； 3)將高強(qiáng)鈦合金管材裝夾于車床主軸，高強(qiáng)鈦合金管材在進(jìn)行超聲波表面硬化加工之前需滿足如下要求: a)直線度:<lmm/m b)外徑圓度:<0.05mm c)外徑公差:<0.1mm d)表面粗糙度:Ra0.8?3.2ym e)超聲波加工余量:0.005?0.06mm; 4)調(diào)整刀具位置，使刀具的中心與管材中心高度偏差<±0.5mm，且刀具中心與管材表面接觸并對(duì)管材施加30?300kg的壓力； 5)開啟超聲波設(shè)備，調(diào)整超聲設(shè)備電流值至0.8A?1.2A; 6)啟動(dòng)車床，調(diào)整車床轉(zhuǎn)速，使鈦合金管材外表面旋轉(zhuǎn)的線速度控制在10?20m/min，超聲波專用刀具的縱向走刀速度控制在0.15?0.3mm; 7)加工完畢，將超聲波設(shè)備電流值調(diào)到0.5A以下，關(guān)閉超聲波設(shè)備開關(guān)； 8)對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材表面進(jìn)行測(cè)試，管材的表面粗糙度值達(dá)到Ra0.4以下，硬度提高25%以上，耐磨性顯著提高;或在車床上安裝自動(dòng)測(cè)試裝置，當(dāng)場(chǎng)顯示硬度或粗糙度測(cè)試結(jié)果O
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域的一種高強(qiáng)鈦合金管材的外表面硬化方法。具體說(shuō)是把超聲波加工專用刀具安裝在車床的刀架上；使用頻率為30KHz超聲波發(fā)生器對(duì)鈦合金管材的外表面進(jìn)行超聲沖擊硬化加工，調(diào)整車床轉(zhuǎn)速，使鈦合金管材外表面旋轉(zhuǎn)的線速度控制在10～20m/min，超聲波專用刀具的縱向走刀速度控制在0.15～0.3mm；加工完畢后，將超聲波設(shè)備電流值調(diào)到0.5A以下，關(guān)閉超聲波設(shè)備。本發(fā)明提供了在車床上采用超聲波加工方式對(duì)高強(qiáng)鈦合金管材進(jìn)行表面硬化加工的工藝參數(shù)，按此工藝操作，可以使高強(qiáng)鈦合金管材外表面獲得最佳的超聲波硬化效果。該工藝能夠有效提高鈦合金管材的外表面硬度和耐磨性，降低表面粗糙度。
【IPC分類】C22F1/18
【公開號(hào)】CN105525243
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510994326
【發(fā)明人】閆曉東
【申請(qǐng)人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日