超聲振動滾擠壓對金屬表面微觀組織的影響分析

陶欽貴

（四川宜賓學院，四川 宜賓 644000）

當前階段，無論是我們國家的研究人員，還是西方一些發達國家的研究人員，都對于超聲滾擠壓技術進行了深入的研究。其中，天津大學的有關人員對于超聲滾擠壓技術所進行研究時，使用超聲滾擠壓技術對于45鋼材料以及40Cr鈦合金材料進行了一些列的研究[1]。

1 超聲振動擠壓技術的基本工作原理

超聲振動滾擠壓技術，是建立在傳統滾擠壓技術基礎上進行發展，對擠壓頭沿工件法向施以—超聲頻振動，在這種情況下，擠壓頭就在金屬零件表面的切向方向進行滾動以及擠壓運動，與此同時，擠壓頭還會按照金屬零件表面垂直表面進行跳動，做敲擊活動[2]。超聲振動擠壓技術，不僅僅可以改變擠壓頭的在金屬表面的運動方向，與此同時，金屬表面的變形方式卻產生了一定的變化，導致金屬表層的材料會順沿著法線的方向產生變形，導致嚴重的塑性變形。

2 試驗方法

試驗設備以及金屬材料：如果想要研究超聲振動滾擠壓技術的相關參數對于金屬零件表面微觀組織的具體影響，就需要通過試驗的方式進行證實。在進行超聲振動滾擠壓技術的研究試驗中，會主要考察一下一個工藝參數，最重要的有兩個，即超聲的振動幅度以及擠壓速度。在進行振幅試驗的時候，會通常用到以下的系統參數，其超聲的振幅分別為0um、2um、4um、6um。經過超聲振動滾擠壓試驗以后，需要對于試件表面進行及時的處理，例如，切割、拋光、防腐蝕處理、磨光等等，將經過處理以后的金屬表面放在金相顯微鏡下進行詳細的觀察，并且記錄超聲振動滾擠壓技術作用以后的金屬表面所產生的纖維變化。

3 試驗結果分析

3.1 超聲振幅對于微觀組織產生的影響

試件斷面上的微觀組織變化受到振幅的直接影響。振幅不同，微觀組織的變化情況不同，具體的變化情況我們可以通過詳細分析探究得出。

圖1 不同超聲振幅擠壓后試件端面微觀組織

通過相關的分析可以看出，如果超聲振動幅度為0um時，即所使用的為一般的擠壓技術時，金屬表面受到擠壓之后所微觀組織變化不明顯，僅僅只有金屬零件表面的晶粒產生一些流變的情況。通過上圖，可以看出，伴隨著超聲振幅的不斷提高，在金屬表面深度方向所發生的流變現象也越來越明顯，并且所產生的微觀組織越來越多。同時，在金屬表面的晶粒組織也被進一步擴大，逐漸的開始形成晶粒纖維。纖維的整體的尺寸大小是按照深度呈現梯度狀態進行分布，在金屬零件表層所形成的晶粒纖維比較細，伴隨著深度的不斷增加，晶粒纖維的厚度也在逐漸的增大。

3.2 超聲振動滾擠壓中的擠壓速度對于金屬微觀組織造成的影響

金屬微觀纖維組織，對于不同的擠壓速度，試件斷面微觀組織的變化狀況如下圖所示。通過圖表我們可以看出，如果擠壓的速度不同，經過超聲振動強化后金屬表層微觀組織的分布情況也是不同的。擠壓速率比較低，就會形成疊層纖維，并且層數較多。伴隨著擠壓速度的增大，金屬表面的纖維層數在減少，如果擠壓速度達到一定值，處于穩定，金屬表層不會產生纖維，僅僅會有一些變形，從而可以證實擠壓速度對于金屬表層的纖維細化起到了重要作用。超聲振動滾擠壓技術中的擠壓速度對于金屬表層的細化產生了非常大的影響。擠壓速度較低，金屬表面細化程度越高，如果擠壓速度越快，金屬表層的細化效果不明顯。在金屬零件抗疲勞方面來說，金屬表層纖維的細化程度越高，有助于提升金屬的抗疲勞能力。所以，擠壓速度越低，有助于進一步強化抗疲勞性能。

3.3 結論分析

超聲波震動滾壓應與壓頭作用力的大小、震動頻率和振幅都有關系，超聲波屬于聲波，穿透能力強，能是金屬內部產生共振，達到細化晶粒的效果，與壓力共同作用，能提高破碎和穿透力、穿透深度，并且在頻率、振幅、壓力一定的情況下，在金屬內部同一深度處，其細晶效果近乎相同，所以會得到分層纖維組織。同時晶粒細化，起到了細金強化的效果，對強度、塑性有利。而成纖維組織，能顯著提高纖維向的抗拉強度。

4 結語

與傳統的擠壓方式進行比較，超聲振動擠壓可以進行更深化的流變微觀纖維組織，同時，可以在金屬表層形成疊層纖維，通過新型的擠壓技術，可以對于表層組織進行細化。而且，隨著超聲振幅的增大，金屬表面越容易產生疊層纖維組織，并且纖維的寬度在逐漸變細。當振幅在6um時，金屬表層的纖維組織厚度達到了1.25um振幅為0時，金屬表面沒有產生任何的纖維組織。隨著擠壓速度變小，疊層纖維微觀組織越容易產生，并且纖維的寬度在逐漸變細。