一种强化铝合金表面的加工方法

技术领域

本发明涉及一种强化铝合金表面的加工方法，属于铝合金表面强化技术领域。

背景技术

大多数的材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定的厚度的纳米晶结构层，在实现纳米化的同时也能优化材料的力学性能和环境服役能力。在金属表面获得纳米结构表层主要有三种途径：沉积方法、表面自身纳米化和混合纳米化方法。其中，表面自身纳米化是通过热或机械的方法将材料的表层转变为纳米晶层，且表层经过纳米化后的组织沿厚度方向呈梯度变化，与其他两种纳米材料制备方法不同的是，表面自身纳米化采用常规表面处理技术或对表面技术进行改进即可实现。

研究发现，位错是主导晶粒细化的主要方式，金属材料表层在外加作用力的反复作用下，剧烈的塑性变形是材料内部微观结构变化的外在表现，而材料表层晶粒内部通常伴随着位错的滑移与聚集现象。由于晶界处对位错的阻碍作用，使得位错滑移难以移动，从而在晶粒内部形成位错墙以及位错缠结。在高应变、应变速率的作用下，亚晶通过吸收位错，最终形成了纳米化晶粒结构。

大塑性表面纳米化技术可以在金属表层制备纳米晶，其晶粒细化的机制在于大塑性变形能够诱导金属中的位错发生增殖，由于位错发生反应而形成细小的位错胞，在继续变形过程中，位错胞转化为纳米晶，从而显著的提升材料的屈服强度和抗拉强度。但是对于较软的材料，例如7XXX铝合金，由于应变硬化能力差，位错增殖后易通过交滑移而淹没，使得位错的增殖能力变差，采用大塑性表面纳米化技术就不再适用，有必要对此进行研究改进。

发明内容

基于上述，本发明提供一种强化铝合金表面的加工方法，通过低温液氮辅助超声滚压工艺，能够在铝合金表面上形成纳米晶结构，进而提高铝合金表面的光洁度，使得铝合金具有更高的抗拉强度。

本发明的技术方案是：一种强化铝合金表面的加工方法，包括如下步骤：

1)将铝合金工件安装在液氮槽中；

2)通过供氮装置向液氮槽内不断充入液氮，使所述铝合金工件完全浸泡于液氮中；同时，通过超声滚压装置对所述铝合金的表层进行超声滚压。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述液氮槽内设有夹具，用于将所述铝合金工件固定于所述液氮槽的底面。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述夹具的底部设有夹槽，所述夹具的上端面设有两条形口，所述条形口内设有紧固件，以将所述夹具固定于所述液氮槽的底面。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述供氮装置包括液氮泵、第一液氮管、液氮罐和第二液氮管，所述液氮泵与所述第一液氮管的一端连接，所述第一液氮管的另一端与所述液氮罐连接，所述第二液氮管的一端与所述液氮罐连接，所述第二液氮管的另一端延伸至所述液氮槽中。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述第二液氮管的另一端并行设置于所述超声滚压装置的滚压头上，且所述第二液氮管的出口朝向所述滚压头的工作位置。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述滚压头为球形滚压头。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述超声滚压装置的工作参数设置为：滚压气压压强为0.09～0.12MPa，进给量为0.08～0.1mm/r，滚压道次为4～10次，滚珠为10～14mm。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述铝合金工件形状为板状。

作为本发明所述强化铝合金表面的加工方法的一种优选方案，其中：所述铝合金工件材质为7075铝合金。

本发明的有益效果是：本发明通过低温液氮辅助超声滚压工艺，在铝合金表层发生大塑性变形时，能够抑制位错的运动和湮灭，从而促进位错的增殖，使得铝合金表层在低温下能够制备得到纳米晶结构，具有更小的晶粒，并达到镜面状态，在塑性降低很少的情况下明显提高铝合金抗拉强度。

液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔且氮气是大气中含量最多的成分。使用液氮作为冷却液，使用后直接挥发成气体返回大气中，没有任何污染物。超低温制备表层纳米晶技术在材料加工过程中，能够利用液氮等超低温介质使工件、工具处于冷却状态进而实现材料表层的晶粒细化。此外，低温加工能够有效的提高刀具寿命和材料去除率。

附图说明

图1为液氮槽、供氮装置与超声滚压装置的示意图；

图2为液氮槽的示意图；

图3为液氮槽的内部零件示意图；

图4、图5为实施例1铝合金表层在显微镜下的示意图；

附图标记说明：

1液氮槽，11夹具，12夹槽，13条形口，14紧固件；

2供氮装置，21液氮泵，22第一液氮管，23液氮罐，24第二液氮管；

31滚压头。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参阅图1至图3，下面先对本发明中涉及到的装置进行详述：

液氮槽1，主要用于盛装液氮，实现对铝合金工件的浸泡。液氮槽1的上端为开口端，工作时，超声滚压装置的滚压头31可通过该开口端进入到槽内对铝合金的表面接触。在液氮槽1内设有夹具11，夹具11的底部设有夹槽12，该夹槽12用于安装铝合金工件，在夹具11的上端面设有两条形口13，条形口13内设有紧固件14，以将夹具11固定于液氮槽1的底面。本实施例中，紧固件14为紧固螺钉，对应的在液氮槽1的底部开设有螺孔，当铝合金工件安装在夹槽12内后，通过紧固螺钉固定夹具11。由于夹具11采用底部开口的夹槽12结构，并且在上端面设置条形口13，因此可以对铝合金工件的加工平面位置进行适当的调整，并且也能适应不同长度的铝合金工件的固定。本实施例中，液氮槽1铝合金或不锈钢制成，能够承受低温。

供氮装置2，主要用于提供液氮，补充液氮槽1内的用氮需求。供氮装置2包括液氮泵21、第一液氮管22、液氮罐23和第二液氮管24，液氮泵21与第一液氮管22的一端连接，第一液氮管22的另一端与液氮罐23连接，第二液氮管24的一端与液氮罐23连接，第二液氮管24的另一端延伸至液氮槽1中，通过启动液氮泵21，可以将液氮罐23中的液氮不断从第二液氮管24的出口处排出。第二液氮管24的另一端并行安装在超声滚压装置的滚压头31上，且第二液氮管24的出口朝向滚压头31的工作位置，液压泵是在液压的作用下，通过液氮管将液氮罐23中的液氮抽取到滚压头31处，液氮能够吸收材料以及刀具产生的热，不仅能够有效的提高刀具寿命和材料去除率，而且能够更好的抑制位错的运动和湮灭，从而促进位错的增殖。

超声滚压装置，是常规工艺设备，在此不再赘述。本实施例中，超声滚压装置的滚压头31为球形滚压头。

下面对本发明中强化铝合金表面的加工方法进行详述，该方法包括如下步骤：

1)将板状的铝合金工件通过夹具11安装在液氮槽1中；

2)通过供氮装置2向液氮槽1内不断充入液氮，使铝合金工件完全浸泡于液氮中；同时，通过超声滚压装置对铝合金的表层进行超声滚压，工作参数设置为：滚压气压压强为0.09～0.12MPa，进给量为0.08～0.1mm/r，滚压道次为4～10次，滚珠为10～14mm。

具体而言，板状铝合金工件通过夹具11和液氮槽1固定在超声滚压装置上，并通过超声滚压装置控制滚压头31始终与铝合金工件的表面接触，在在材料表面没有产生切入现象，加工过程采用球形滚压头31，超声振动直接通过变幅杆直接作用在金属材料表面，反复多次滚压金属表层直至达到镜面状态。

下面对本发明方法的效果进行试验说明：

实施例1：取板状的7075铝合金工件通过夹具11安装在液氮槽1中，通过供氮装置2向液氮槽1内不断充入液氮，保证铝合金工件完全浸泡于液氮中；同时，通过超声滚压装置对铝合金的表层进行超声滚压，工作参数为：滚压气压压强为0.09～0.12MPa，进给量为0.08～0.1mm/r，滚压道次为4～10次，滚珠为10～14mm。

对比例1：取与实施例1相同的板状7075铝合金工件，通过夹具11安装在液氮槽1中，通过超声滚压装置对铝合金的表层进行超声滚压，工作参数为：滚压气压压强为0.09～0.12MPa，进给量为0.08～0.1mm/r，滚压道次为4～10次，滚珠为10～14mm。

表1为拉伸性能表，从表1中可看出，通过液氮下的表面强化，强度比表面强化工艺提高了64MPa，强塑性提高745MPa％。强化的原因，通过透射电镜分析，主要是晶粒被细化到60nm。通过细晶强化使得材料的强度大幅度提升。同时由于板材的中心组织并未改变，所有保存了中心优异的塑性，使得材料整体的强度升高，而塑性降低很少，因此强塑积提高了745MPa％。细化后的组织图4和图5。

表1拉伸性能数据

其中，传统的T6为与实施例1相同的板状7075铝合金工件，未经表面强化和液氮处理。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。