耐磨材料及性能测试课程实验报告中国地质大学

实验一、表面纳米化实验

一、实验设备：普通数控车床，USP-125表面加工装置，待加工钢锭。

二、实验原理：应用球形超硬材料工具头对金属工件表面进行表面强化和光整加

工，原理图如下所示：

超声波发生器产生的超声信号经过换能器变幅杆的转换和放大使球形工具头产生超声波机械振动，工具头以一定静压力对工件挤压的同时，对工件表面进行超声波冲击强化。在工具头静压力和冲击力的作用下，工件表面的微观凹、凸峰谷产生挤压塑性变形而压平表面，使得表面粗糙度降低，表面层金属组织得到强化，表面层的力学性能得以改善。

三、实验流程

1、将待加工件装夹在机床卡盘上，由于此次加工的是厚度约5mm的圆钢锭，

用螺钉在其周向均匀固定。

2、通过机床卡块将超声波加工装置固定在车床刀架上，调节高度使得硬质加

工球中心与待加工钢锭回转中心处于同一高度。

3、确认主机机箱正面开关处于管断状态，用220V电源线接通主机电源，然后

打开电源开关，主机接通电源，红色电源指示灯亮。

4、拧动电源旋钮，使液晶屏幕上的预设为合适的值，按下执行机构开关，绿

色工作指示灯亮，约为2—5秒钟后频率值较为稳定，电流值也稳定在预设值左右波动，表明设备进入正常工作状态，执行机构可以开始工作。

5、开启冷却液冷却加工球，缓慢地向零件方向进给刀架，加工球与零件表面

接触，继续进给，直至加工球对零件表面的静压力逐渐增大到预设的值。在施加静压力的过程中，电流值会变化较大，停止进给刀架后，待2—15分钟，使电流值稳定在预设值左右波动，可以开始往加工方向进给刀架，加工零件。

6、处理过程中，可随时调整静压力和振幅。由于加工参数对负载影响较大，

在加工过程中参数改变不宜过快。参数的调整也可在关闭执行机构开关后（仍保持超声波电源工作）进行。

7、结束加工，先关闭执行机构开关，再关断超声电源。

四、注意事项

1、设备工作时，操作人员如对执行机构振动声音感到不适，应佩戴防护耳塞与

防护耳套。

2、应该先用超声电源线连接超声电源与执行机构，再接通主机与220V电源。

最后按下执行机构开关。结束工作时则要先按下关闭执行机构开关，再断开主机与220V电源，最后取下超声电源线。

3、用220V电源线为主机接通电源之前，应保电源开关处于关断状态。执行

机构开关按下之前，电路调节旋钮最好不要扭到电流最大处，根据所处理材料、静压力的不同应使用相应的电流加工。

4、定期（实际加工时间超过10小时后开始）检查加工球，当加工球表面光

洁度显著降低时，应更换新的加工球，否则影响加工效果。

5、每次使用后务必将加工装置上的油污、冷却液清理干净，尤其将进入前

盖内的冷却液清理干净，否则装置内的换能器长期接触冷却液会损坏。可以每次使用后使用吹风机热风吹干冷却液。

五、实验感悟及分析

超声波表面振动加工是一种机械冲击式的压力光整加工，它利用金属在常温下的冷塑性特点，利用表面施加预紧力，加以高频超声波振动，使得原有的微观波峰熨平，，使其填入波谷，从而使工件表面质量提高。具体可表现在：

1、表面粗糙度明显降低。在强烈的高频振动下，工件表面上微观的波峰被

冲击变形、碎裂，填入波谷，原有的波峰波谷高低差值降低，使得工件

表面粗糙度显著降低，一般可降低2—4级。表面粗糙度的降低对于零件

接触面的耐磨性、防止零件表面应力集中和提高其疲劳强度都有好处。

2、工件表面金属硬化。工件表层金属在塑性变形过程中，随着冷作硬化，

表面硬度提高，一般可提高3—4倍，并且从工件表面到内部呈阶梯式逐

渐降低。与其他表面强化技术比起来，即在不改变原有材料基础上提高

了工件综合性能。

3、消除表面微观缺陷，提高疲劳强度。振动挤压下能消除前道加工工序所

造成的微观表面缺陷，完全消除毛刺缺陷，使工件表面质量大大提高。

工件表面产生残余应力。随着挤压预应力地增加和挤压次数的增多，工件表面残余应力绝对值加大。

实验二、等离子渗氮实验

一、实验设备：LDM1-100多功能渗氮炉、约5mm钢锭（基体）、超声波清洗

装置。

二、实验原理：渗氮炉中，氮稀薄气体在阴极、阳极间的高压下形成高能等

+等，轰击阴极工件表面，并跟工件表面被打出的C、O、离子体N+、H+、NH

3

Fe等反应，生成FeN沉积到工件表面，一部分分解出氮原子渗入工件表面内，一部分返回离子区。这些渗入的氮使得材料的硬度、耐腐蚀、抗摩擦、抗氧化、抗疲劳、热稳定等性能得到极大的改善。

三、实验步骤

阶段一：准备阶段

1、开炉起罐。开炉前先开泵把炉体中的残余气体抽干净，然后松开放气阀放气，

待炉体内部气压与大气压一致，打开控制柜上的液压开关，然后摁住炉壁旁边的绿色按钮用液压提升炉盖，把炉盖停放一旁以便取放试样，关闭控制柜上的液压开关。

2、清洁炉内。长时间不使用和第一次使用需要用砂纸打磨炉内壁和阴极盘，阴

极柱，再用吸尘器把灰尘吸干净，保证炉内洁净，没有灰尘和碎屑。

3、放样。将经超声波清洗后的样品工件放置在阴极盘上，阴极盘的阴极柱上放

置环形圆盘，以便使温度均匀，渗氮均匀。

4、关炉。打开控制柜上的液压开关，左手护着炉盖，右手摁住炉壁旁边的红色

按钮用液压下降炉盖，对正并关闭液压开关。

5、抽气。打开泵一和泵二开关，进行抽气，直到抽到设备的极限真空。关闭蝶

阀，然后再关控制柜上的真空泵开关。

6、设定加热、保温及保温时间。打开控制柜上的低压开关，调节温控开关和时

间设定旋钮，以确定升温和保温时间参数的设定。

阶段二：升温阶段

1、充气。调节氮气流量计按钮慢慢充气，使真空计的示数大概为70-90。