关于金属材料超声表面强化技术的研究与应用进展

张道

摘要：现今，我国工业发展速度越来越快，对于工业品生产加工质量也会提出较高的要求，要想满足这种高要求，关键任务就是要对金属材料的超声表面强化技术加大研究和创新力度。本文也会针对当前工业制造中，几种常见的金属材料超声表面强化技术的应用原理进行着重分析，并对其应用进展提出相应的意见和建议，以便为有关人士提供参考。

关键词：金属材料；超声表面强化技术；应用原理；进展分析

引言

在工业生产中，各类机械设备是不可缺少的重要组成部分，但是设备在长期运行使用后，其零部件就会出现不同程度的磨损、腐蚀以及疲劳等问题，这样就会大大降低机械设备的使用寿命和运行安全，进而在运行期间产生较大的能耗问题，因此，在设备生产制造过程中，积极引入金属材料超声表面强化技术来强化零部件的性能和质量，这样才能使其耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等更好地满足机械设备长期运转需求。

1. 超声冲击处理技术的应用

该金属材料超声表面强化技术主要将大功率超声作为核心驱动能量，在实际运用时，通过压电陶瓷和磁致伸缩换能设备的大力配合，可以很好的实现电能向机械能的有效转化，同时还能借助变幅聚能的力量，对金属材料的焊接表面进行冲击碰撞，以便使材料的表面形成局部塑性变形，这样既可以有效降低工件焊接表面的残余应力，同时也能减小焊接变形问题的发生概率，进而使工件的抗疲劳性能得到最大化提升。超声冲击处理技术在我国20世纪90年代开始应运而生，主要研究范围围绕超声冲击处理对工件焊接接头的疲劳强度所造成的影响及作用来进行，据相关研究结果可以得知，超声冲击处理技术可以有效改变工件焊接接头的疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等，从而使其得到最大化提升，同时还能有效降低焊接面的残余应力，并产生更多有益的残余压应力。另外，还能有效消除工件焊接后在表面生出的疲劳裂纹，避免其出现应力集中情况。同时，超声冲击处理技术的应用，还能确保工件焊接结构尺寸的稳定性，进而使其整体质量与性能都能达到相应的生产制造标准。近年来，我国对超声冲击处理技术的应用重视程度开始明显提升，这也使得该表面强化技术在工业加工制造领域中的应用范围不断扩大，其应用发展水平可以直接影响到我国科技树水平以及社会经济发展速度的提升。据相关实践证明，其可以有效改良工业产品的合金力学性能，例如，针对超高强钢焊接接头进行冲击处理后，可以使其焊接接头晶粒细化度达到50m深、表层晶粒尺寸达到63nm～82nm左右、堆焊层形成晶粒尺寸为21nm的表面纳米化层，是之前硬度的1.4倍。

2.超声喷丸强化技术的应用

该金属材料超声表面强化技术具有较高的功率超声，可以作为驱动金属工件的核心能量，在实际运用时，主要借助超声换能器和变幅器来驱动金属对其表面进行喷丸处理。与传统气动喷丸强化技术相比，该技术是通过超声振动能量来推动丸粒飞行，进而实现对金属表面的轰击与处理，在这一过程中，不仅无需对空气进行压缩，而且所涉及的丸粒还能进行循环使用，尤其是合金和陶瓷等高质量的丸粒，其带来的冲击能量也是十分明显。另外，超声喷丸强化技术的工艺可控性也是极为显著，其可以根据相应的要求，运用USP技术对特殊的工件进行定制，进而使工件深度和直径等参数都能与相关要求相吻合，从而保证工件具有较强的实用性和便捷性。目前，我国针对超声喷丸强化技术的创新研究给予了高度的重视，主要研究范围围绕应用纳米技术对金属材料表面进行处理上，因为USP技术自身存在诸多优势，可以为我国工业制造业的发展做出突出贡献，提升材料的抗疲劳性及表面硬度等。但是该技术也存有一定的应用缺陷，其在某种程度上对被喷零件的结构尺寸有着一定的限制作用，进而影响到零部件的强化处理效果。例如，在采用表面纳米强化技术对材料的抗疲劳性进行改良时，常常会受到多种因素所影响，如超声喷丸产生的参与压力以及纳米硬化处理后在工件表面产生的微裂纹等，这样就会大大降低材料的抗腐蚀性能和抗疲劳性能，使其在加工硬化过程中，在表面产生一定的残余压实力，若是处在高温情况下，还会导致工件表面硬度变得松弛。因此，针对这种情况，要想使其得以有效改善，就要在后续超声喷丸强化技术创新优化过程中，加强对金属材料、超声喷丸处理工艺以及疲劳载荷等因素的考虑，同时还要对针对具体问题，开展针对性研究，尤其是要加强对USP表面纳米化处理、腐蚀疲劳以及应力腐蚀性能的研究[1]。

3.超声振动挤压技术的应用

该金属材料超声表面强化技术主要是来对金属材料表面进行碰撞轰击，进而使处理后的材料表面更加平滑，并产生一定的塑性形变反应，使其耐久性与抗疲劳性等得到最大化改善。据相关专家分析，超声振动挤压技术的应用原理与以往无磨粒超声抛光技术和超声波辅助抛光技术的应用原理基本一致，都能使处理工件受力均匀，进而使工件的质量和应用性能切实的满足工业化发展需求。鉴于此，目前，在我国军事行业和一些精细制造行业中，该技术一般适用于那些精细度和难度较高的零件加工制造中，但是在实际运用时，其常常会受到挤压次数、挤压速度、受挤压以及机器振幅和振动频率等设计参数所影响，进而使得最终的技术应用效果大打折扣，根本无法保证加工零件的强化处理效果。因此，在后续超声波挤压技术创新优化过程中，积极采用控制变量的方法来对其具体实施过程中容易出现的影响加工效果的因素进行深入剖析，并根据分析结果，合理调整相关的设计参数，确保该技术的应用效果，使其在工业领域中得到进一步的推广和应用

[2]。

4. 超声滚强化与滚光技术的应用

传统滚压技术在对金属材料进行表面强化处理时，主要是运用工具头上的净压力来使材料表面产生塑性形变反应，进而产生一定的残余压应力，使工件抗疲劳性得到有效改善，但是在这一过程中，一旦所施加的静压力过大，就会对工件表面造成一定的撕裂和划伤影响，并且还会形成残余切应力，因此，很难满足薄壁零件的加工制造需求。而超声滚强化技术则有效弥补了这一传统技术的应用弊端，其通过在超声变幅杆的头部，对超声振动进行直接利用，来对工件表面进行一定的冲击和挤压，并引入参与压实力和细化晶粒，从而让工件表面更加光滑、平顺，同时，该技术在运用过程中，还会在处理工件表面形成没有划伤的表面，进而有效避免工具头造成磨损影响。相对而言，滚光技术的应用则是依据超声深滚处理原则，根据静压力的具体大小和超声减摩作用，来对表面受损的工件进行有效处理，在这一过程中，其通过抗疲劳强化技术与超声深滚技术，可以对待处理工件表层材料的晶粒进行，以便有效消除表面的加工纹理，进而使其被处理面的整体粗糙度得到全面化的改善。当前，我国在研究超声滚压强化技术方面，主要是利用超声振动螺纹滚挤压强化技术，来大大降低螺纹表面的粗糙度。

结束语：

综上所述，在工业产品中，工业零件的质量和性能可以直接影响到工业设备的使用效果和使用寿命，并增加其整体运行能耗。鉴于此，要想改善现状，进一步推动工业设备的应用与发展，关键任务就是要在其生产制造过程中，积极采用金属材料超声表面强化技术来对相应的工业零件的抗疲劳性、表面硬度和光滑度以及抗腐蚀性等进行全面的优化处理，确保零件的加工质量和制造效果，使其在工业领域内更广泛的应用。

参考文献

[1]丛家慧,王磊.超声喷丸表面强化技术的研究现状与应用进展[J].期刊论文,2019,(05):43-44.

[2]朱有利,王燕礼等.金属材料超声表面强化技术的研究与应用进展[J].机械工程学报,2017,(10):11-12.