[發明專利]一種旋壓刀具及金屬表面旋壓強化方法

有效

• 申請號: 201610365249.1
• 申請日: 2016-05-27
• 公開（公告）號: CN105861797B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 張哲峰;王強;朱艷坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C22F1/08
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于金屬表面強化方法技術領域，特別涉及一種旋壓刀具及金屬表面旋壓強化方法。

背景技術

通過調研和統計分析發現，疲勞斷裂是導致金屬構件失效的主要原因，占金屬構件失效案例總數的60％以上，因金屬構件在服役過程中發生疲勞斷裂，每年都會給社會帶來巨大的經濟損失，有時甚至導致人員傷亡，所以其危害甚大。從定義上看，疲勞斷裂是指金屬構件在交變載荷或循環載荷作用下長時間服役后發生斷裂破壞的一種失效現象。

金屬構件疲勞開裂過程可以分為兩個主要階段：裂紋萌生階段和裂紋擴展階段。對于大多數在交變載荷或循環載荷條件下服役的金屬構件，疲勞裂紋主要從金屬構件表面萌生，隨后向構件心部擴展。在裂紋萌生的最初階段，它很難被肉眼觀察到，等裂紋開始快速擴展后，構件很快就發生斷裂失效。因此，疲勞斷裂破壞是很難預知的，也具有一定的突然性。

從理論上看，金屬構件的疲勞壽命主要由兩部分構成：裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命。根據這一原理，無論是提高裂紋萌生壽命還是提高裂紋擴展壽命都對提高金屬構件的疲勞壽命有益。尤其，提高裂紋萌生壽命有助于降低構件疲勞開裂的風險，對抑制金屬構件高周疲勞開裂具有明顯的效果。怎樣才能提高構件的疲勞裂紋萌生壽命呢？

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

人們最早認識金屬表面強化的作用始于上世紀初期，在對金屬構件表面進行錘擊和沖擊后，無意中發現金屬構件的疲勞性能有顯著提升。據最早文獻報道：在1926年，美國汽車公司采用噴丸的方法改善汽車用曲軸的疲勞性能。從此以后，噴丸、拋丸、噴沙和表面滾壓等方法得到了廣泛關注。通過大量的研究發現，噴丸和軋制可以向金屬表面引入殘余壓應力，從而提高構件的疲勞性能。目前通過冷加工進行表面強化的主要方法包括：滾壓、軋制、擠壓、噴丸等。毫無疑問，噴丸是當下最成熟的表面強化技術，適用范圍廣泛且優點突出，不受構件幾何形狀限制，對大多數金屬材料表面強化效果比較好。然而，噴丸也有一些缺點。

首先，噴丸是以向金屬構件表面引入殘余壓應力為主的表面強化方法，它的缺點之一在于在通過正面的高速粒子撞擊并不能產生良好的晶粒細化效果，尤其對高強材料晶粒細化效果更差。從本質上是通過表面沖擊變形，引入大量位錯，位錯的塞積可以阻礙自身運動，提高表面金屬的強度。雖然噴丸具有一定的表層晶粒細化效果，但晶粒細化主并不是噴丸的主要強化機制。經噴丸的金屬構件，在表面承受拉應力時，因為殘余壓應力的存在，降低了應力水平，最終提高了構件的疲勞壽命。

其次，高能金屬、陶瓷或玻璃顆粒轟擊金屬構件表面，產生的加工表面較為粗糙。從表面完整性角度出發，雖然構件力學性能提升，但對構件表面幾何形狀的影響會導致表面粗糙，致使其抗疲勞效果下降，這一點是噴丸類技術的弱點。

第三，噴丸加工時，個別能量較高的彈丸容易造成構件表面微裂紋。在噴丸表面強化加工時，由于粒子是隨機運動，每一個粒子所具有的能量不同，個別運動速度較高且能量較大的粒子對構件表面轟擊時，會對構件表面造成損傷，產生微裂紋，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，經統計，變形層平均深度為12μm。更值得注意的是，個別噴丸沖擊的彈坑內雖然變形較大，但出現了微裂紋如圖2所示，這種微裂紋對構件的疲勞性能影響很大，可能演化成為疲勞裂紋核心。微裂紋在構件表面相當于“缺口”，在這些微裂紋處隨后可能萌生疲勞裂紋。

第四，采用噴丸處理高強度金屬材料時表面強化效果較差。因為噴丸過程中，高能彈珠能量部分被反彈回去，部分轉化成聲波和熱能，留在金屬表面并且用于強化的能量會大大降低，這樣強化效果就不理想，強化效率也較低。