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超声波光整强化工件表层组织结构及性能改进

朱智勇  
【摘要】:为改善材料的表面性能,人们提出了一系列的表面处理方式,如喷丸、滚压等。与这些传统的表面处理方式相比,超声波光整强化技术是一种低成本、处理方便、效率高的处理方法。目前该技术仍处于发展推广阶段,在工程实际应用与基础理论强化方面的研究不足,在工件表面性能提高方面具有巨大潜力。工业纯铁具有良好的导磁、导热性,但硬度、耐磨性和耐腐性差,限制了纯铁的应用,为提高纯铁的表面性能,拓展纯铁在工程中的应用范围,以纯铁为研究对象,借助超景深显微镜观察了工件加工前后表面微观结构及三维形貌,证明了超声波光整加工“削峰填谷”作用,工件表层形成塑性流变层,表层晶粒被拉伸,表层粗晶粒得到细化,光整处理提高了工件在油润滑条件下的耐磨性及干摩擦条件下的抗磨损性能。超声波光整加工后工件表层形成纳米晶粒细化层,工件表层晶界、空位等非平衡缺陷的数量剧增,高密度晶界可作为原子扩散的通道,适于低温扩散研究,为进一步提高纯铁的耐磨性等表面性能,使元素更易渗透,本文提出采用纳米颗粒Cr粉对纯铁进行元素渗透研究,设计了一种圆盘工件浸入液体内部的超声光整元素渗透加工工艺,将工件固定在试样座上,倒入Cr粉无水乙醇悬浮液进行光整加工,具有易扩散,无需加热,处理方便,节能的特点,借助超景深显微镜对添加Cr悬浮液加工前后工件的三维形貌及微观结构进行观察,添加Cr粉悬浮液加工工件表面三维形貌起伏波动小,表层流变层厚度小,晶粒细化更均匀,提高了工件表层的最大残余压应力值。为了进一步对纯铁超声波光整加工元素扩散进行研究,结合原子扩散理论,提出超声光整加工过程中不添加冷却液,加工头以超声频冲击工件表面,能量逐步累积,其中大部分能量以热能传递,增大了工件表面温度,适于扩散研究,选用纳米Ni、Cr混合粉体为元素扩散源,以Cr、Ni粉形成对照,XRD图谱发现Ni的衍射峰,证明纯铁经超声波光整强化加工可实现元素扩散,借助摩擦磨损试验机分析添加Cr、Ni对工件的耐磨性的影响,添加Cr、Ni粉体后工件抗磨损性能提高,在中、高载荷下,摩擦系数小于未添加Cr、Ni粉体加工工件的摩擦系数,耐磨性能明显提高。


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