不銹鋼表面處理方法綜述

李云光

（沈陽瀚海凌舟不銹鋼有限公司，遼寧 沈陽 110000）

不銹鋼的定義：不銹鋼是一系列對空氣，水，鹽水，酸和其他腐蝕性環(huán)境中的化學(xué)品具有高度耐受性的鋼。在空氣中耐腐蝕的鋼被稱為不銹鋼。在化學(xué)成分方面，所有現(xiàn)有的高鉻不銹鋼。同時(shí)，材料的物理和機(jī)械性能對切削性能有很大影響，給加工帶來很多不便。不銹鋼是一種典型的耐火材料，在切割過程中具有以下特性：不銹鋼具有良好的擴(kuò)散性，高塑性，加工時(shí)塑性變形大，晶格變形嚴(yán)重，強(qiáng)化因子強(qiáng)。在不銹鋼表面處理過程中切削產(chǎn)生的應(yīng)力和塑性應(yīng)變會使在體內(nèi)不穩(wěn)定的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。此外，含有微量元素的不銹鋼化合物在切割熱的驅(qū)動下容易分解和分散，在切割過程中產(chǎn)生硬化層。這會在下一次切割時(shí)產(chǎn)生困難，增加工具磨損并降低工具耐久性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 切削熱的研究

由于像不銹鋼這樣具有較強(qiáng)的機(jī)械性能以及較好的抗熱抗腐蝕性能的材料通過傳統(tǒng)方式難以進(jìn)行高效、高質(zhì)量的表面加工，文章提出了一種新型的不銹鋼表面加工處理技術(shù)。隨著新技術(shù)衍生出很多新型高性能、高強(qiáng)度材料，對于這些材料采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)，已經(jīng)難以滿足其生產(chǎn)要求，相反，由于工藝的落后，還會造成良品率的下降，而且加工效率較低等因素也使得其良好的性能難以體現(xiàn)在實(shí)際的生產(chǎn)加工中。為了找到一種有效、高效且成本較低的加工方法，業(yè)內(nèi)專家共同努力，推出了強(qiáng)電弧加工這種手段。

1.2 刀屑摩擦的研究

尖端摩擦區(qū)，由摩擦熱和剪切變形支配。切削過程中，前刀面上存在切屑摩擦的兩個(gè)特征。由于熱測量的影響，下方的金屬塑性變形，剪切，剪切并粘合到前刀面上，但是切屑摩擦不再是一般的燃燒摩擦。不僅有摩擦和滑動摩擦區(qū)域，還有從滑動摩擦區(qū)域到過渡摩擦區(qū)域的組合摩擦區(qū)域。在該領(lǐng)域，許多實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究表明，尖端接觸長度摩擦是四種不同的摩擦，尖端區(qū)域摩擦模型由慢區(qū)，滑移區(qū)和粘結(jié)區(qū)決定。進(jìn)一步推動了該理論的發(fā)展：提出了最新的尖端摩擦模型。忽略，這種現(xiàn)象是耦合：在耦合摩擦區(qū)域中是恒定的盡管存在厚度（盡管該厚度非常?。?，但是這種現(xiàn)象在尖端處產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)證明的恒定厚度的摩擦層，稱為“材料過渡層”，定性分析表明它是一種“過渡材料”。

2 馬氏體相變的研究

不銹鋼加工過程中的應(yīng)力，應(yīng)變和熱量而經(jīng)歷奧氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變。由于奧氏體是碳在面心立方晶格）中的固溶體，而馬氏體是碳在體心立方晶格）中的過飽和固溶體。奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)不需要原子，擴(kuò)散僅是晶格的重組，屬于非擴(kuò)散型。馬氏體相變通過類似于機(jī)械孿晶的剪切過程產(chǎn)生，并且在成核和生長之后，新的馬氏體相與母相奧氏體形成聚集體。通過實(shí)驗(yàn)分析了應(yīng)變速率對不銹鋼組織轉(zhuǎn)變的影響。當(dāng)應(yīng)變速率在該范圍內(nèi)時(shí)，在材料內(nèi)部發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，并且產(chǎn)生納米顆粒和超細(xì)顆粒。圖1 所示，不銹鋼防滑板加工制作的方式，在高應(yīng)變速率下，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，拉伸變形增加，馬氏體相變增加，彎曲半徑增大。隨著變形量的增加，減少量也增加。分別對奧氏體不銹鋼在高溫和低溫下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。對比分析表明，不銹鋼樣品的拉伸應(yīng)變引起的馬氏體相變遠(yuǎn)高于低溫混沌。對不銹鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并基于光學(xué)衍射儀分析不銹鋼合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)的影響。不銹鋼拉伸試驗(yàn)分別在室溫和高溫下進(jìn)行。

圖1 不銹鋼防滑板加工制作的方式

3 目前存在的主要問題

作為一種新型的特種材料加工方法，需要具備一定的壓力條件，通過電極釋放的電弧來切削以及清潔材料的表面。該技術(shù)的問世有效推動了新型材料的迭代推進(jìn)速度，對于材料加工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著深遠(yuǎn)的影響。對于難以加工的高強(qiáng)度、高韌性材料，采用該技術(shù)加工具有較高的效率，具有極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。填補(bǔ)了國內(nèi)在材料加工領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白。同時(shí)采用強(qiáng)電弧加工技術(shù)，在環(huán)境保護(hù)方面也有著較小的壓力，不僅對于大氣環(huán)境污染較小且因其相對于傳統(tǒng)加工手段所產(chǎn)生的噪聲較小，對于參與施工的人員的健康傷害較小，對于加工場所的限制也較低，更有助于進(jìn)一步降低尖端材料加工的成本。

3.1 關(guān)于切削熱的方面

螺旋齒運(yùn)動的熱源理論是計(jì)算切削熱的最常用方法，這種方法簡化了單個(gè)非厚的狹窄截面的主剪切區(qū)域。剪切帶區(qū)域的厚度的觀點(diǎn)不匹配。體積傳遞熱源方法用于補(bǔ)償傾斜條帶缺乏熱源理論，但主剪切面被認(rèn)為是由主剪切面分成兩個(gè)相等厚度的平行區(qū)域。實(shí)際上已通過實(shí)驗(yàn)觀察到主剪切帶被分成兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分與主剪切平面不等距。Oxley 的切削熱方程易于使用，但方程參數(shù)僅適用于具有半經(jīng)驗(yàn)特征的碳鋼。二維熱方程很少用于計(jì)算切割熱量，因?yàn)樗茈y解決。

3.2 表面粗糙度影響因素

諸如硬化層和裂紋等表面缺陷會不可避免的出現(xiàn)在強(qiáng)電弧加工處理后的工件表面。即使這些表面缺陷很細(xì)微，其對后續(xù)加工和工件的使用也有著較大的負(fù)面影響。由于當(dāng)前的工業(yè)化生產(chǎn)中采用的機(jī)器設(shè)備日益精密化，對部件、零件的精密度要求也日益增高。采用不達(dá)標(biāo)的部件會使得相關(guān)的零部件加速老化，甚至影響設(shè)備的性能與壽命。而在這其中，零件的老化或損壞均始于表面的劣化，不夠光潔、有缺陷的表面會使得所生產(chǎn)的工件由外而內(nèi)的加速損壞，因此提高加工工件質(zhì)量要從半精加工階段就開始著手。工件表面質(zhì)量不是一個(gè)單維度的問題，可對其造成影響的因子眾多，共同作用，復(fù)雜性較高，分析難度較大。

3.3 關(guān)于刀-屑摩擦方面

在芯片摩擦分析模型中，芯片摩擦模型的長期使用僅由兩部分組成：復(fù)合摩擦區(qū)和滑動摩擦區(qū)。基于對切削過程中摩擦范圍的詳細(xì)了解，提出了一種現(xiàn)代肩部摩擦分析模型。優(yōu)點(diǎn)在于，除了上述兩個(gè)摩擦間隔之外，聯(lián)接和滑動摩擦帶之間的過渡摩擦帶是切屑從聯(lián)接摩擦帶到滑動摩擦帶的連續(xù)且平滑的過渡。是。交貨。然而，這些模型忽略了耦合摩擦區(qū)中特定厚度的現(xiàn)象，但是這個(gè)厚度非常小。除了對這種現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察之外，還在芯片的“材料轉(zhuǎn)換層”中定義了粘結(jié)摩擦層的特定厚度并進(jìn)行了定性分析。然而，該過渡層的作用尚未量化，并且尚未應(yīng)用于尖端摩擦模型。

4 加工表面馬氏體相變

奧氏體是碳的固溶體具有面心立方結(jié)構(gòu)。研究表明，在切削過程中，將不銹鋼轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程中存在兩種類型的馬氏體。一種是體心立方馬氏體，另一種是高密度六方馬氏體。學(xué)術(shù)界對這兩種類型的馬氏體轉(zhuǎn)變有兩種共同的看法。一個(gè)是馬氏體是從奧氏體到馬氏體的中間過渡。當(dāng)奧氏體分別轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和馬氏體時(shí)，認(rèn)為沒有中間相。由于在切割過程中不銹鋼從奧氏體到馬氏體的復(fù)雜轉(zhuǎn)變，學(xué)術(shù)界沒有最終成熟度理論。由于切削參數(shù)與不銹鋼的馬氏體相變有關(guān)，文章采用實(shí)驗(yàn)方法分析和分析切削參數(shù)對不銹鋼馬氏體相變的影響，結(jié)合不銹鋼在核電中的應(yīng)用。

4.1 相變的定量計(jì)算

利用X 射線衍射法對試樣進(jìn)行物相分析時(shí)，針對非單一相試樣而言，i 相在（hkl）晶面上衍射峰的積分強(qiáng)度Iihkl可由下式計(jì)算：

式中：KN和Rihkl分別為衍射儀相關(guān)系數(shù)和材料衍射系數(shù)；Vi是i 相的體積分?jǐn)?shù)；μN(yùn)則為試樣材料的線吸收系數(shù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

關(guān)于奧氏體，α 馬氏體和ε 馬氏體的衍射標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別如表所示，其中包括各自的衍射晶面（hkl）、衍射角2θ、晶面間距d 及對應(yīng)的衍射峰值相對強(qiáng)度。

表1 奧氏體的衍射標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

在文章的研究基礎(chǔ)上，如何改進(jìn)不銹鋼面處理方法不僅是當(dāng)前的研究趨勢，也是未來研究的重點(diǎn)。因此，分析切割后不銹鋼的表面質(zhì)量，表面硬度和精度是進(jìn)一步研究的重要發(fā)展方向，必須非常小心地實(shí)現(xiàn)高精度和高效的加工。在文章中，研究了切削熱，切屑摩擦，切削力，殘余應(yīng)力和馬氏體相變。文章主要研究理論模型和數(shù)值計(jì)算，以及所用的驗(yàn)證方法。隨后的研究還可以將2D 擴(kuò)展到3D，以在3D 條件下建立切削阻力，熱量和切屑摩擦力。預(yù)測模型和理論分析適用于切割不銹鋼。