專利名稱：包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超聲波設(shè)備，尤其涉及一種包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭。
背景技術(shù)：
高能超聲具有獨(dú)特的聲學(xué)效應(yīng)。利用超聲波處理改善金屬凝固組織、提高力學(xué)性 能是一種最新的、有效的方法。在金屬凝固過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，凝固組織就會(huì)從粗大的柱 狀晶變?yōu)榫鶆蚣?xì)等軸晶，金屬的宏觀及微觀偏析均得到改善。如錫銻(Sn-Sb)合金是較為 廣泛應(yīng)用的軸承材料，通過(guò)超聲處理細(xì)化其晶粒將有效提高其力學(xué)性能和耐磨性能。在超聲處理中，超聲波工具頭起到將超聲波發(fā)射到熔融液體金屬中去的作用。超 聲波工具頭會(huì)受到高溫液體金屬和超聲波空化腐蝕的雙重影響。尤其是高溫液體金屬，相 當(dāng)于一種強(qiáng)烈的金屬腐蝕劑，對(duì)超聲波工具頭的腐蝕速度很快。通常情況下，就算是最昂貴 的鈦合金超聲波工具頭，在鋁合金熔體中累計(jì)工作幾個(gè)小時(shí)左右就開始出現(xiàn)肉眼可見的腐 蝕痕跡，十幾小時(shí)后就會(huì)形成大小不等的腐蝕孔，然后腐蝕孔不斷擴(kuò)大、擴(kuò)張，導(dǎo)致超聲波 工具頭的振動(dòng)頻率發(fā)生偏移，發(fā)射效率下降，使用壽命基本不會(huì)超過(guò)100小時(shí)。通常的超聲 波工具頭為了耐高溫而采用昂貴的鈦合金材料，鈦合金材料是一種綜合性能非常好的金屬 材料。特別是在超聲波領(lǐng)域，它強(qiáng)度高、超聲波傳遞損耗小、發(fā)熱低，其重要性不可替代。然 而，鈦合金材料硬度不是很高，抗腐蝕性也不是很強(qiáng)。在某些特殊的超聲波應(yīng)用領(lǐng)域，比如 切割、化工生產(chǎn)的強(qiáng)腐蝕場(chǎng)合、腐蝕性的高溫環(huán)境，鈦合金的應(yīng)用就受到限制。要解決超聲波在這些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，只有兩條途徑。其一是找到一種更好的材 料，既具有鈦合金所有的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有鈦合金現(xiàn)有的缺點(diǎn)。然而，這種材料暫時(shí)還找不到。第 二個(gè)辦法是對(duì)鈦合金材料進(jìn)行改性，既保留它原來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，盡可能克服它存在的問(wèn)題。通常認(rèn)為，若用一般的耐高溫耐腐蝕材料進(jìn)行包裹保護(hù)是行不通的。因?yàn)槌暡?工具頭要做高頻小振幅振動(dòng)，振動(dòng)加速度極大。又由于保護(hù)材料一般質(zhì)量較大，在很大的 振動(dòng)加速度條件下，剝離力輕易就會(huì)超過(guò)結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致保護(hù)材料很快脫落。而且較大的 質(zhì)量也會(huì)影響超聲波工具頭本身的振動(dòng)特性。為此本實(shí)用新型的中請(qǐng)人曾選擇薄型涂層 (通常叫做PVD涂層)進(jìn)行改性，并以中國(guó)實(shí)用新型專利(耐高溫腐蝕的超聲波工具頭， CN201305623)的形式對(duì)其技術(shù)加以介紹且申請(qǐng)了專利。從實(shí)際的使用效果看，這樣的改性 是有一定的作用的，但仍不能從根本上解決問(wèn)題。這種涂層固然避免了因?yàn)檎駝?dòng)而脫落的 問(wèn)題，但是太薄，使用壽命短，保護(hù)作用不大。例如從提高硬度的角度，因?yàn)樘?，極易被硬 物刺穿。從防腐的角度，也是因?yàn)樘?，很快便?huì)失效。熱噴涂技術(shù)是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)表面工程學(xué)的重要組成部分，它是一種表面強(qiáng)化和 表面改性的技術(shù)，通過(guò)在金屬基體表面噴涂一層涂層使金屬具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、 電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。熱噴涂技術(shù)主要用于高溫、耐磨、耐腐蝕等部件 的預(yù)保護(hù)、功能涂層的制備及對(duì)失效部件的修復(fù)等。熱噴涂工藝方法中應(yīng)用較廣泛的有火 焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速噴涂技術(shù)。采用熱噴涂技術(shù)在金屬基體上制備陶瓷涂層，能把金屬材料的特點(diǎn)和陶瓷材料的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有異常優(yōu)越的綜合性 能，使得熱噴涂技術(shù)迅速?gòu)母呒忸I(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用到能源、交通、冶金、輕紡、石化、機(jī)械等民用 工業(yè)領(lǐng)域。盡管熱噴涂技術(shù)有著如此廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但在超聲波技術(shù)領(lǐng)域還沒(méi)有應(yīng)用。其 主要原因是，一般均認(rèn)為，因?yàn)椴捎脽釃娡考夹g(shù)獲得的涂層很厚。而在通常意義上的理解 是，涂層越厚，越容易脫落，不適合在超聲波設(shè)備這樣高頻小振幅振動(dòng)、振動(dòng)加速度極大的 條件下應(yīng)用。而且，由于涂層的特性與基體金屬材料的特性相差太大，一般均認(rèn)為，肯定會(huì) 對(duì)超聲波系統(tǒng)的傳遞、損耗、振動(dòng)幅度、頻率特性，等等，都有很大的影響。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的偏見，提供一種包覆熱噴涂 涂層的超聲波工具頭。我們用15K，20K，35K，40K等超聲波系統(tǒng)做了一系列的大功率超聲 波試驗(yàn)，事實(shí)證明在合適的條件下，熱噴涂涂層是可靠安全的，完全可以用在超聲波振動(dòng)系 統(tǒng)上。以20K超聲波縱向振動(dòng)工具頭為例，只要控制振幅在70微米范圍內(nèi)，涂層厚度小于 5mm，就能夠保證涂層的有效。而且，對(duì)整個(gè)超聲波系統(tǒng)性能的影響也在可控制和可接受的 范圍內(nèi)。為解決該技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是提供一種包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭，包括工具頭本體，所述的工具頭本體 為一棒體，其外表包覆一層以熱噴涂方法實(shí)現(xiàn)附著的涂層，該涂層的厚度為0. 15 4. 5mm。作為一種改進(jìn)，所述的涂層是多元金屬陶瓷涂層、鎳鉻碳化鉻涂層、碳化鎢涂層、 碳化鉻涂層、合成氮化鉻涂層或非金屬陶瓷涂層中的任意一種。作為一種改進(jìn)，所述的涂層是全部包覆或者是局部覆蓋于工具頭本體外表。超聲 波工具頭經(jīng)過(guò)熱噴涂涂層處理后，再進(jìn)行表面研磨拋光處理，或再進(jìn)行涂層封閉(封孔)處理。作為一種改進(jìn)，所述的工具頭本體呈鐵餅型，涂層涂覆于外圓周面上，再進(jìn)行表面 研磨拋光。工具頭本體做徑向振動(dòng)，可以用于超聲波旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)。在所述的工具頭本體的側(cè)面上，可設(shè)有若干相間隔的環(huán)形溝槽，以提高超聲波工 具頭的發(fā)射效率和均勻性。可用于超聲波聲化學(xué)系統(tǒng)。工具頭本體的前端設(shè)置正錐形頭或倒錐臺(tái)形頭，可擴(kuò)大超聲波振動(dòng)的輻射面，提 高發(fā)射效率和功率。倒錐形頭，起到聚能超聲波的作用，提高超聲波功率密度。工具頭本體為金屬材料，可選擇合金鋼材料。合金鋼材料也是種耐高溫材料，但耐 高溫性能次于鈦合金，更次于陶瓷材料，但其與鈦合金相比，價(jià)格相對(duì)低廉。超聲波工具頭 內(nèi)為合金鋼材料，外為陶瓷材料，既確保耐高溫、不被腐蝕，又有效降低成本。工具頭本體的橫截面可以呈圓形、方形或多邊形，在空間受限制的特殊情況下，超 聲波工具頭也可設(shè)計(jì)成其他形狀，同樣可達(dá)到發(fā)射超聲波的目的。工具頭本體一般是做縱向振動(dòng)或徑向振動(dòng)，超聲波頻率通常在14kHz 60kHz范 圍。在通常情況下，工具頭本體的后端頭連接有變幅桿，變幅桿再與超聲波換能器相 連，超聲波換能器與驅(qū)動(dòng)電源電連接。驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)超聲波換能器作超聲波振動(dòng)，變幅桿放大振幅，再將超聲波振動(dòng)能量傳遞給超聲波工具頭。最后，超聲波工具頭將超聲波能量發(fā)射 到特定的地方。本實(shí)用新型的有益效果是與采用物理氣相沉積的方法附著涂層的超聲波工具頭相比，采用熱噴涂技術(shù)的超 聲波工具頭可以通過(guò)在廉價(jià)的工具頭本體外附著上相對(duì)更厚的涂層，既增強(qiáng)其抗腐蝕性、 硬度，又能夠確保其振動(dòng)頻率穩(wěn)定、提高發(fā)射效率，更能延長(zhǎng)使用壽命、降低成本。用熱噴涂技術(shù)改性的鈦合金(或普通合金鋼)超聲波發(fā)射頭，主要有三方面的應(yīng)用。其一是超聲波切割領(lǐng)域，鈦合金發(fā)射頭既發(fā)射超聲波，又作為切割組件中的砧板。 在工作中它要承受合金鋼刀具不停的切割，相當(dāng)于是一塊切菜的砧板。如果不做處理，鈦合 金產(chǎn)品的磨損很快，使用壽命會(huì)很短。經(jīng)過(guò)熱噴涂技術(shù)的碳化鉻涂層處理，硬度大大提高， 至少能夠達(dá)到HRC60以上。而且與鈦合金基體的結(jié)合強(qiáng)度也很好，對(duì)超聲波性能影響很少， 完全能夠滿足超聲波切割工藝的技術(shù)要求。其二是應(yīng)用在熔融金屬的超聲波處理領(lǐng)域，特別是鋁合金熔體處理。在超聲處理 中，超聲波發(fā)射頭起到將超聲波能量發(fā)射到熔融液體金屬中去的作用。超聲波發(fā)射頭會(huì)受 到高溫液體金屬和超聲波空化腐蝕的雙重影響。尤其是高溫液體金屬，相當(dāng)于一種強(qiáng)烈的 金屬腐蝕劑，對(duì)超聲波發(fā)射頭的腐蝕速度很快。通常情況下，就算是最昂貴的鈦合金超聲波 發(fā)射頭，在鋁合金熔體中累計(jì)工作幾小時(shí)左右就開始出現(xiàn)肉眼可見的腐蝕痕跡，幾十小時(shí) 后就會(huì)形成大小不等的腐蝕孔，然后腐蝕孔不斷擴(kuò)大、擴(kuò)張，導(dǎo)致超聲波發(fā)射頭的振動(dòng)頻率 發(fā)生偏移，發(fā)射效率下降，使用壽命基本不會(huì)超過(guò)100小時(shí)。鈦合金發(fā)射頭通過(guò)熱噴涂技 術(shù)，涂覆了耐高溫合金粉材料，耐高溫腐蝕性能有了本質(zhì)的提高，甚至基體材料不用鈦合金 也可以。這使得金屬熔體超聲波處理工藝的工業(yè)化有了可能，也大大降低了超聲波設(shè)備的 使用成本。其三是在高腐蝕性的化工生產(chǎn)領(lǐng)域。眾所周知超聲波能夠加速化學(xué)反應(yīng)，提高反 應(yīng)產(chǎn)率，降低反應(yīng)溫度和壓力，所以超聲波技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地被應(yīng)用于化工生產(chǎn)領(lǐng)域。然 而，由于超聲波需要有比較高強(qiáng)度的金屬材料作為發(fā)射頭，所以在許多腐蝕性的場(chǎng)合，超聲 波無(wú)能為力。也就是說(shuō)，到目前為止，還沒(méi)有找到比較好的能夠應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕化工生產(chǎn)領(lǐng)域 的超聲波金屬材料。金屬的超聲波發(fā)射頭，通過(guò)熱噴涂技術(shù)涂覆耐腐蝕的陶瓷材料，再經(jīng)過(guò) 比較好的封孔處理，耐腐蝕性能有了大大的提高，完全可以應(yīng)用在強(qiáng)腐蝕場(chǎng)合。

圖1是實(shí)施例1中工具頭的軸向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施例2中工具頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實(shí)施例3中工具頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例4中工具頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是實(shí)施例5中工具頭的使用狀態(tài)下安裝示意圖。圖6是實(shí)施例6中工具頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的附圖標(biāo)記為1工具頭本體，2涂層，3溝槽，4倒錐臺(tái)形頭，5正錐形頭，6法蘭盤，7變幅桿，8超聲波換能器，9驅(qū)動(dòng)電源。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。實(shí)施例1 本實(shí)施例的一種超聲波工具頭如圖1所示，包括呈圓棒狀的工具頭本體 1，其外表包覆一層以熱噴涂方法實(shí)現(xiàn)附著的涂層2，涂層2的材料采用多元金屬陶瓷涂層， 其厚度為3. 0mm。工具頭本體1采用合金鋼材料，可用于超聲波化學(xué)工程。當(dāng)然，工具頭本體1也可是橫截面呈方形或多邊形的棒體。實(shí)施例2 本實(shí)施例的超聲波工具頭如圖2所示，工具頭本體1的側(cè)面有多個(gè)相間 隔的環(huán)形溝槽3，涂層2材料采用合成氮化鈦材料，其厚度為2. 4mm，其余的同實(shí)施例1。實(shí)施例3 本實(shí)施例的超聲波工具頭如圖3所示，工具頭本體1的前端頭為正錐形 頭4，涂層2的材料采用合成氮化鉻材料，其厚度為1. 7mm，其余的同實(shí)施例1。實(shí)施例4 本實(shí)施例的超聲波工具頭如圖4所示，工具頭本體1的前端頭為倒錐形 頭5，涂層2的材料采用非金屬陶瓷材料，其厚度為0. 5mm，其余的同實(shí)施例1。實(shí)施例5 實(shí)施例1中的超聲波工具頭的使用狀態(tài)如圖5所示。工具頭本體1的后端頭連接有變幅桿7，變幅桿7再與超聲波換能器8相連，超聲 波換能器8與驅(qū)動(dòng)電源9電連接。工具頭本體1上靠近其后端頭處有一個(gè)法蘭盤6。其余 的同實(shí)施例1。實(shí)施例6 本實(shí)施例的工具頭本體呈鐵餅型，做徑向振動(dòng)。涂層在外圓周面上，再 進(jìn)行表面研磨拋光?？梢杂糜诔暡ㄐD(zhuǎn)切割系統(tǒng)。在使用時(shí)，應(yīng)控制好超聲波系統(tǒng)的頻率和振幅(也就是控制超聲波系統(tǒng)的振動(dòng)加 速度，最終是控制超聲波傳遞時(shí)的內(nèi)應(yīng)力)。而且，正是因?yàn)闊釃娡考夹g(shù)的涂層相對(duì)于物理 氣相沉積的方法附著的涂層更厚，它的硬度問(wèn)題、耐腐蝕問(wèn)題能夠比較好的解決了。一般在 超聲波頻率為20kHz的條件下，控制超聲波工具頭的振幅不超過(guò)70 ym，這樣的內(nèi)應(yīng)力情況 下，采用熱噴涂技術(shù)的涂層是可以承受的。還需要注意的是，以上列舉的僅是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。顯然，本實(shí)用新型不 限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實(shí)用新型公開的內(nèi)容 直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭，包括工具頭本體，其特征在于，所述的工具頭本體為一棒體，其外表包覆一層以熱噴涂方法實(shí)現(xiàn)附著的涂層，該涂層的厚度為0.15～4.5mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述的涂層是多元金屬陶瓷涂 層、鎳鉻碳化鉻涂層、碳化鎢涂層、碳化鉻涂層、合成氮化鉻涂層或非金屬陶瓷涂層中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)中所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述的涂層是全 部包覆或者是局部覆蓋于工具頭本體外表的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)中所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述的工具頭本 體為金屬材料的工具頭本體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)中所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述的工具頭本 體的橫截面呈圓形、方形或多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)中所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述的工具頭本 體呈鐵餅型，涂層涂覆于外圓周表面上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種超聲波設(shè)備，旨在提供一種包覆熱噴涂涂層的超聲波工具頭。該工具頭包括工具頭本體，所述的工具頭本體為一棒體，其外表包覆一層以熱噴涂方法實(shí)現(xiàn)附著的涂層，該涂層的厚度為0.15～4.5mm。本實(shí)用新型與采用物理氣相沉積的方法附著涂層的超聲波工具頭相比，采用熱噴涂技術(shù)的超聲波工具頭可以通過(guò)在廉價(jià)的工具頭本體外附著上相對(duì)更厚的涂層，既增強(qiáng)其抗腐蝕性、硬度，又能夠確保其振動(dòng)頻率穩(wěn)定、提高發(fā)射效率，更能延長(zhǎng)使用壽命、降低成本。
文檔編號(hào)C23C4/10GK201713563SQ201020146029
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者陳元平 申請(qǐng)人:陳元平