[發(fā)明專(zhuān)利]一種旋壓刀具及金屬表面旋壓強(qiáng)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610365249.1
• 申請(qǐng)日: 2016-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105861797B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張哲峰;王強(qiáng);朱艷坤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C21D7/04
• 分類(lèi)號(hào): C21D7/04;C22F1/08
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬表面強(qiáng)化方法技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種旋壓刀具及金屬表面旋壓強(qiáng)化方法。

背景技術(shù)

通過(guò)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，疲勞斷裂是導(dǎo)致金屬構(gòu)件失效的主要原因，占金屬構(gòu)件失效案例總數(shù)的60％以上，因金屬構(gòu)件在服役過(guò)程中發(fā)生疲勞斷裂，每年都會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)甚至導(dǎo)致人員傷亡，所以其危害甚大。從定義上看，疲勞斷裂是指金屬構(gòu)件在交變載荷或循環(huán)載荷作用下長(zhǎng)時(shí)間服役后發(fā)生斷裂破壞的一種失效現(xiàn)象。

金屬構(gòu)件疲勞開(kāi)裂過(guò)程可以分為兩個(gè)主要階段：裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段。對(duì)于大多數(shù)在交變載荷或循環(huán)載荷條件下服役的金屬構(gòu)件，疲勞裂紋主要從金屬構(gòu)件表面萌生，隨后向構(gòu)件心部擴(kuò)展。在裂紋萌生的最初階段，它很難被肉眼觀察到，等裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展后，構(gòu)件很快就發(fā)生斷裂失效。因此，疲勞斷裂破壞是很難預(yù)知的，也具有一定的突然性。

從理論上看，金屬構(gòu)件的疲勞壽命主要由兩部分構(gòu)成：裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命。根據(jù)這一原理，無(wú)論是提高裂紋萌生壽命還是提高裂紋擴(kuò)展壽命都對(duì)提高金屬構(gòu)件的疲勞壽命有益。尤其，提高裂紋萌生壽命有助于降低構(gòu)件疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)抑制金屬構(gòu)件高周疲勞開(kāi)裂具有明顯的效果。怎樣才能提高構(gòu)件的疲勞裂紋萌生壽命呢？

通常提高材料的疲勞強(qiáng)度或者降低構(gòu)件的應(yīng)力水平可以提高材料的疲勞壽命。鑒于疲勞裂紋通常在構(gòu)件表面萌生，提高金屬構(gòu)件的表面強(qiáng)度可以抑制疲勞裂紋萌生并改善構(gòu)件疲勞性能，即表面強(qiáng)化。因此，金屬構(gòu)件表面強(qiáng)化是抑制疲勞裂紋萌生的重要手段。

人們最早認(rèn)識(shí)金屬表面強(qiáng)化的作用始于上世紀(jì)初期，在對(duì)金屬構(gòu)件表面進(jìn)行錘擊和沖擊后，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)金屬構(gòu)件的疲勞性能有顯著提升。據(jù)最早文獻(xiàn)報(bào)道：在1926年，美國(guó)汽車(chē)公司采用噴丸的方法改善汽車(chē)用曲軸的疲勞性能。從此以后，噴丸、拋丸、噴沙和表面滾壓等方法得到了廣泛關(guān)注。通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，噴丸和軋制可以向金屬表面引入殘余壓應(yīng)力，從而提高構(gòu)件的疲勞性能。目前通過(guò)冷加工進(jìn)行表面強(qiáng)化的主要方法包括：滾壓、軋制、擠壓、噴丸等。毫無(wú)疑問(wèn)，噴丸是當(dāng)下最成熟的表面強(qiáng)化技術(shù)，適用范圍廣泛且優(yōu)點(diǎn)突出，不受構(gòu)件幾何形狀限制，對(duì)大多數(shù)金屬材料表面強(qiáng)化效果比較好。然而，噴丸也有一些缺點(diǎn)。

首先，噴丸是以向金屬構(gòu)件表面引入殘余壓應(yīng)力為主的表面強(qiáng)化方法，它的缺點(diǎn)之一在于在通過(guò)正面的高速粒子撞擊并不能產(chǎn)生良好的晶粒細(xì)化效果，尤其對(duì)高強(qiáng)材料晶粒細(xì)化效果更差。從本質(zhì)上是通過(guò)表面沖擊變形，引入大量位錯(cuò)，位錯(cuò)的塞積可以阻礙自身運(yùn)動(dòng)，提高表面金屬的強(qiáng)度。雖然噴丸具有一定的表層晶粒細(xì)化效果，但晶粒細(xì)化主并不是噴丸的主要強(qiáng)化機(jī)制。經(jīng)噴丸的金屬構(gòu)件，在表面承受拉應(yīng)力時(shí)，因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力的存在，降低了應(yīng)力水平，最終提高了構(gòu)件的疲勞壽命。

其次，高能金屬、陶瓷或玻璃顆粒轟擊金屬構(gòu)件表面，產(chǎn)生的加工表面較為粗糙。從表面完整性角度出發(fā)，雖然構(gòu)件力學(xué)性能提升，但對(duì)構(gòu)件表面幾何形狀的影響會(huì)導(dǎo)致表面粗糙，致使其抗疲勞效果下降，這一點(diǎn)是噴丸類(lèi)技術(shù)的弱點(diǎn)。

第三，噴丸加工時(shí)，個(gè)別能量較高的彈丸容易造成構(gòu)件表面微裂紋。在噴丸表面強(qiáng)化加工時(shí)，由于粒子是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)粒子所具有的能量不同，個(gè)別運(yùn)動(dòng)速度較高且能量較大的粒子對(duì)構(gòu)件表面轟擊時(shí)，會(huì)對(duì)構(gòu)件表面造成損傷，產(chǎn)生微裂紋，圖1中給出了一種基體平均顯微硬度為480HV的高強(qiáng)度鋼表面噴丸后的樣品截面形貌，圖片的上邊為噴丸表面，向下為基體。從圖1中可以看到，形變層很薄，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，變形層平均深度為12μm。更值得注意的是，個(gè)別噴丸沖擊的彈坑內(nèi)雖然變形較大，但出現(xiàn)了微裂紋如圖2所示，這種微裂紋對(duì)構(gòu)件的疲勞性能影響很大，可能演化成為疲勞裂紋核心。微裂紋在構(gòu)件表面相當(dāng)于“缺口”，在這些微裂紋處隨后可能萌生疲勞裂紋。

第四，采用噴丸處理高強(qiáng)度金屬材料時(shí)表面強(qiáng)化效果較差。因?yàn)閲娡柽^(guò)程中，高能彈珠能量部分被反彈回去，部分轉(zhuǎn)化成聲波和熱能，留在金屬表面并且用于強(qiáng)化的能量會(huì)大大降低，這樣強(qiáng)化效果就不理想，強(qiáng)化效率也較低。