[0001] 本发明涉及金属材料表面复合强化技术领域，特别涉及一种高端卡尺不锈钢表面复合强化系统与工艺。

[0002] 量具是工业生产的眼睛，卡尺又是长度测量量具中最主要的代表之一，卡尺广泛应用于工业生产和科学研究中。常用的卡尺原材料是40Cr13不锈钢，卡尺在服役期间，因卡爪部分用于直接接触工件，其表面易产生磨损和腐蚀现象。为提升卡尺卡爪的耐磨和耐腐蚀性，已有研究一部分集中于改变卡爪的加工工艺，即经过感应淬火+低温回火热处理，使用感应加热淬火设备生产率高，淬硬层深度易于控制，易于实现机械化和自动化。但其表面改性晶粒细化极限是微米尺度，耐磨性和耐腐蚀性能也较差，在实际应用中，始终不能有效解决卡爪失效的难题；另一部分集中于改变卡爪表层材料的成分，采用物理气相沉积或化学气相沉积在卡爪表面镀一层耐磨性和耐腐蚀性的材料。但是在实际应用中发现，镀层易剥落，这必将导致产生测量误差，降低卡尺测量精度，影响其使用寿命，且难以避免的会引发环境污染等问题。

[0003] 现有技术在对卡尺感应淬火+低温回火热处理后，为保证卡尺的表面加工质量，主要会采用磨削加工来降低表面粗糙度，提高尺寸精度和几何精度。但是磨削过程中会有磨削热、会产生表层残余拉应力，且为了保证尺寸精度，需要人为调整完工尺寸，同时，磨削加工每次只能加工一个工作面，加工效率较低。而滚压加工作为常用的加工方式，可以代替磨削加工，并具备磨削加工所没有的优势，滚压加工是无屑加工，无发热现象。滚压加工除了能提高加工表面光洁度，与磨削加工相反，加工表面产生残余压应力和冷硬度，可抵消部分张应力，提高疲劳强度。滚压加工卡尺耗时不到2分钟，完工尺寸即为成形尺寸，并且还可以实现多面同时滚压加工，比磨削加工效率提高数倍。

[0004] 1998年，卢柯院士及其合作者在国际上首次提出“金属材料表面纳米化”，即对金属的表面处理使其表面组织和晶粒细化至纳米尺度，利用纳米结构表面层所具有优异性能来提高材料的整体性能。表面纳米化处理可消除表层剥落和界面的结合等问题，成本低廉、工艺简单，己成为世界许多国家的研究重点。而强流脉冲电子束表面改性作为一种新型且高效的处理技术，高速电子通过对钢材表面进行辐照处理产生剧烈的热力耦合作用，材料表面附着或埋藏的夹杂物、微观起伏及成分偏析等缺陷通过选择喷发效应得以祛除(抛光、选择净化)，快速能量沉积引发表层材料的骤热极冷过程实现不锈钢表层晶粒纳米化，即形成成分均匀、晶粒细化至纳米尺寸的表面改性层。因此，利用具有优异性能的纳米结构表面层提高不锈钢的整体性能（耐磨性能及耐腐蚀性能），可以提高卡尺的使役寿命，鉴于此，提出了一种高端卡尺不锈钢表面复合强化系统与工艺。

[0019] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0020] 实施例一：如图1‑5所示，一种高端卡尺不锈钢表面复合强化系统，包括：
淬火装置，用于对未经处理的卡尺尺身3‑26进行高频感应淬火并对未经处理的卡
尺卡爪4‑2进行局部感应淬火；本实施例中，所述淬火装置包括淬火变压器1‑1、淬火感应器
1‑2和淬火池1‑3；所述淬火感应器1‑2连接在淬火变压器1‑1一侧，用于对卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑2进行高频加热；所述淬火池1‑3设置在淬火感应器1‑2的正下方，且淬火池1‑
3中设有淬火液，用于对高频加热后的卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑2进行油淬冷却；其中，所述高端卡尺的基材是40Cr13不锈钢，即卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑2均为40Cr13不锈钢材质；所述淬火感应器1‑2通过空心铜管绕制而成；所述淬火装置的感应淬火是基于电磁感应原理，当卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2竖直放置于空心铜管绕制而成的淬火感应器1‑2中后，可以使其通过淬火变压器1‑1产生的高频交流电（即产生的密度较高的感应涡流），来将卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2迅速加热至相变温度以上，并在其保温一定时间后使之奥氏体化，随后立即放入淬火液进行油冷，以使卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2大于临界冷却速度的快速进行冷却，在卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2的表明形成隐针状马氏体和碳化物，当其空冷至室温后，与未经感应淬火的高端卡尺基材相比，经过经感应淬火的40Cr13不锈钢碳化物细化溶解，具有较高的强硬度；本实施例中，所述高端卡尺的基材为40Cr13不锈钢，其化学成分如下（质量百分数：wt.%）：C：0.36～0.45；Si：0.60；Mn：0.80；Cr：12.00～14.00；
Fe：余量；
回火装置，用于对淬火后的卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑2进行低温回火；本实施
例中，所述回火装置包括网带炉2‑2，所述网带炉2‑2上设有控制回火温度的温度控制器2‑
1；其中，卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2放置于网带炉2‑2中加热进行低温回火时，采用合适的回火温度并保温一定时间后，当其出炉再在空气中冷却至室温时可以释放感应淬火内应力，提高硬度、耐磨性和强韧性，最终得到隐晶马氏体和细粒状碳化物（提高耐腐蚀性），即回火马氏体。但是，由于卡尺卡爪4‑2凝固时产生了枝晶偏析，此时获得的组织不均匀，所以需要通过强流脉冲电子束辐照装置对卡尺卡爪4‑2进行强流脉冲电子束辐照，以实现对材料晶粒尺度的调控；
滚压装置3，用于对回火后的卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑2进行三刃滚压，校直
淬火变形；所述滚压装置3包括底座3‑1、液压机构、滚压机构、驱动机构和传动机构；所述底座3‑1的一侧设有固定板，用于固定滚压机构、驱动机构和传动机构，所述滚压机构通过传动机构与驱动机构连接；所述滚压机构包括侧边滚压件、上滚压件和下滚压件，所述上滚压件和下滚压件呈上下结构相对设置，所述上滚压件和下滚压件的滚压方向相反，所述侧边滚压件位于上滚压件和下滚压件的一端，且侧边滚压件的旋转中心点位于上滚压件和下滚压件的间隙中央轴线处；所述液压机构设置在侧边滚压件远离上滚压件和下滚压件一端的底座3‑1上，且液压机构的伸缩端还固定有用于支撑侧边滚压件的支撑件；其中，滚压装置3的滚压机构可以通过侧边滚压件、上滚压件和下滚压件给予卡尺尺身3‑26以及卡尺卡爪4‑
2适当的压力，使工件产生与原变形方向相反的变形，从而达到校直的目的，但一次滚压可能会存在超差现象，因此，采用上滚压件和下滚压件进行进出料可以在进料时进行一次滚压，出料时进行一次滚压，通过两次滚压操作来实现全面校直，以此来满足高端卡尺的滚压校直淬火变形的需求；
强流脉冲电子束辐照装置，用于对滚压后的卡尺卡爪4‑2进行强流脉冲电子束辐
照；本实施例中，所述强流脉冲电子束辐照装置包括工作靶4‑1、工作仓4‑4、电子束源4‑5、诊断系统4‑6、真空系统4‑7和电源控制系统4‑8；所述工作靶4‑1设置在工作仓4‑4的内部底端；所述电子束源4‑5设置在工作仓4‑4的内部顶端，用于产生电子束轰击工作靶4‑1上的产品；所述诊断系统4‑6、真空系统4‑7和电源控制系统4‑8均设置在工作仓4‑4的外侧，所述诊断系统4‑6可用来测量工作真空、阴极加速电压、电子束流、入射束平均能量密度，所述真空系统4‑7包括真空阀、真空泵组、真空室、通冷却水及排放废气的管道，所述电源控制系统4‑
8包括脉冲高压发生器、脉冲功率电源、磁场触发电源；本实施例中，所述强流脉冲电子束辐照装置为HOPE‑I型强流脉冲电子束装备；其中，电子束源4‑5可以产生强流脉冲电子束，可以对滚压校直后的卡尺进行辐照处理，使得卡尺卡爪4‑2在经过电子密度高，束斑能量均匀，电子穿透能力强的电子束轰击后，卡尺卡爪4‑2表面的晶粒细化并形成亚稳态纳米晶，可以进一步提高卡尺卡爪4‑2的表面硬度及耐磨性能，同时使得卡尺基体和纳米结构表层无明显界面、不易脱落，极大延长了卡尺的使用寿命；
以及超声清洗装置5，用于对淬火、回火后的卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2以及辐
照后的卡尺卡爪4‑2进行超声清洗；其中，超声清洗装置5可以实现对卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2的全面清洁，减少卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2表面杂质残留；
在本实施例一个具体的实施方式中，所述固定板包括第一固定板3‑21、第二固定
板3‑22和第三固定板3‑23；所述底座3‑1顶部依次设有第一滑轨槽3‑24‑1、第二滑轨槽3‑
24‑2和第三滑轨槽3‑24‑3，所述第一固定板3‑21滑动连接在第三滑轨槽3‑24‑3中，所述第二固定板3‑22固定在第一滑轨槽3‑24‑1远离第二滑轨槽3‑24‑2一侧的底座3‑1顶部，所述第三固定板3‑23固定在第二滑轨槽3‑24‑2和第三滑轨槽3‑24‑3之间的底座3‑1顶部，所述上滚压件和下滚压件转动设置在第二固定板3‑22和第三固定板3‑23之间；所述液压机构活动连接在第一滑轨槽3‑24‑1和第二滑轨槽3‑24‑2之间，所述侧边滚压件位于液压机构与第二固定板3‑22和第三固定板3‑23之间；本实施例中，所述滚压机构的上滚压件包括并排设置的上从动滚轮3‑14和上主动滚轮3‑15；所述滚压机构的下滚压件包括并排设置的下从动滚轮3‑12，下主动滚轮3‑13；所述滚压机构的侧边滚压件为滚动轮3‑6；
在本实施例一个具体的实施方式中，所述液压机构包括支撑架和液压缸3‑4，所述
支撑架滑动连接第一滑轨槽3‑24‑1和第二滑轨槽3‑24‑2之间，所述液压缸3‑4固定在支撑架中央；所述支撑件包括基座3‑5、轴承3‑20以及轴承压盖3‑25；所述滚动轮3‑6的两端套装有轴承3‑20，所述滚动轮3‑6通过轴承3‑20转动设置在基座3‑5中，所述轴承压盖3‑25固定在轴承3‑20上方并与基座3‑5连接，所述基座3‑5固定在液压缸3‑4的伸缩端处；其中，支撑架包括第一支撑架3‑2‑1、第二支撑架3‑2‑2、第三支撑架3‑2‑3、第四支撑架3‑2‑4，所述第一支撑架3‑2‑1、第二支撑架3‑2‑2可在第一滑轨槽3‑24‑1中移动，第三支撑架3‑2‑3、第四支撑架3‑2‑4可在第二滑轨槽3‑24‑2中移动，液压缸4通过螺栓3联结紧固在支撑架上（即第一支撑架3‑2‑1、第二支撑架3‑2‑2、第三支撑架3‑2‑3和第四支撑架3‑2‑4之间）；轴承压盖
3‑25可以通过螺栓可拆卸固定在基座3‑5上，因此可以通过轴承压盖3‑25的拆装实现轴承
3‑20以及滚动轮3‑6的拆装固定，方便了滚动轮3‑6与基座3‑5的安装；
为了防止第二固定板3‑22和支撑架从第一滑轨槽3‑24‑1、第二滑轨槽3‑24‑2和第
三滑轨槽3‑24‑3中滑脱，将第一滑轨槽3‑24‑1、第二滑轨槽3‑24‑2和第三滑轨槽3‑24‑3的截面形状设置为燕尾形结构，既保证了第二固定板3‑22和支撑架与第一滑轨槽3‑24‑1、第二滑轨槽3‑24‑2和第三滑轨槽3‑24‑3之间的滑动连接，又避免了第二固定板3‑22和支撑架与底座3‑1的稳定装配；
在本实施例一个具体的实施方式中，所述驱动机构包括第一伺服电机3‑9、第二伺
服电机3‑16和第三伺服电机3‑17；所述第一伺服电机3‑9通过螺栓3‑18和螺母3‑19固定在第一固定板3‑21上，所述第二伺服电机3‑16和第三伺服电机3‑17通过螺栓3‑18和螺母3‑19固定在第二固定板3‑22上；本实施例中，所述传动机构包括轴小齿轮3‑7，轴大齿轮3‑8、链轮3‑10和链条3‑11；所述轴小齿轮3‑7套装在滚动轮3‑6面向第一伺服电机3‑9一端的基座
3‑5外侧以及第二固定板3‑22一侧的主动滚轮3‑15和下主动滚轮3‑13一端；所述轴大齿轮
3‑8套装在第一伺服电机3‑9、第二伺服电机3‑16和第三伺服电机3‑17的输出轴上；所述第一伺服电机3‑9的轴大齿轮3‑8与滚动轮3‑6的轴小齿轮3‑7相互啮合；所述主动滚轮3‑15的轴小齿轮3‑7与第三伺服电机3‑17的轴大齿轮3‑8相互啮合；所述下主动滚轮3‑13的轴小齿轮3‑7与第二伺服电机3‑16的轴大齿轮3‑8相互啮合；所述链轮3‑10套装在第三固定板3‑23一侧的上从动滚轮3‑14、上主动滚轮3‑15、下从动滚轮3‑12和下主动滚轮3‑13一端；所述链条3‑11套装在上从动滚轮3‑14和上主动滚轮3‑15之间以及下从动滚轮3‑12和下主动滚轮
3‑13之间；其中，轴小齿轮3‑7的齿数为13，轴大齿轮3‑8的齿数为21，链轮10的齿数为11；所述第一伺服电机3‑9的输出轴穿过第一固定板3‑21，并在输出轴端部设置有轴大齿轮3‑8，轴大齿轮3‑8采用与第一伺服电机3‑9的输出轴平键联接方式，将第一伺服电机3‑9的动力传递到滚动轮3‑6的轴小齿轮3‑7处，使得第一伺服电机3‑9工作时可以通过轴大齿轮3‑8和轴小齿轮3‑7将动力传递给滚动轮3‑6，以驱动滚动轮3‑6转动；
同理，第二伺服电机3‑16的输出轴穿过第二固定板3‑22，并在输出轴端部设置有
轴大齿轮3‑8，轴大齿轮3‑8采用与第二伺服电机3‑16的输出轴平键联接方式，将第二伺服电机3‑16的动力传递到下主动滚轮3‑13的轴小齿轮3‑7处，使得第二伺服电机3‑16工作时可以通过轴大齿轮3‑8和轴小齿轮3‑7将动力传递给下主动滚轮3‑13，以驱动下主动滚轮3‑
13转动，而链轮10的齿数为13，下主动滚轮3‑13与链轮3‑10通过平键联接，下从动滚轮3‑12与链轮3‑10通过平键联接，链轮3‑10之间通链条3‑11啮合以传动比1:1实现链传动，达到下主动滚轮3‑13与下从动滚轮3‑12之间同步同向转动；
同理，第三伺服电机3‑17的输出轴穿过第二固定板3‑22，并在输出轴端部设置有
轴大齿轮3‑8，轴大齿轮3‑8采用与第三伺服电机3‑17的输出轴平键联接方式，将第三伺服电机3‑17的动力传递到上主动滚轮3‑15的轴小齿轮3‑7处，使得第三伺服电机3‑17工作时可以通过轴大齿轮3‑8和轴小齿轮3‑7将动力传递给上主动滚轮3‑15，以驱动上主动滚轮3‑
15转动；上主动滚轮3‑15与链轮3‑10通过平键联接，上从动滚轮3‑14与链轮3‑10通过平键联接，链轮3‑10之间通链条3‑11啮合以传动比1:1实现链传动，达到上主动滚轮3‑15与上从动滚轮3‑14之间同步同向转动；
为了使下从动滚轮3‑12、上从动滚轮3‑14支撑可靠和平稳转动，在其两端也分别
设置有轴承3‑20，挡圈限制轴承3‑20的滑动，轴承3‑20分别安装在第二固定板3‑22和第三固定板3‑23上；为了使下主动滚轮3‑13、上主动滚轮3‑15支撑可靠和平稳转动，在其输出轴端分别设置有轴承3‑20，挡圈限制轴承3‑20的滑动，轴承3‑20分别安装在和第三固定板3‑
23上；所述下主动滚轮3‑13在上主动滚轮3‑15正下方，下从动滚轮3‑12在上从动滚轮3‑14正下方，滚动轮3‑6位于下从动滚轮3‑12与上从动滚轮3‑14整体正前方，下主动滚轮3‑13与上主动滚轮3‑15、下从动滚轮3‑12与上从动滚轮3‑14之间设置有合适且相同的高度，用于将卡尺（卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2）放进来滚压加工表面；而下主动滚轮3‑13的转动方向与上主动滚轮3‑15的转动方向相反，才能保证卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2可以正常进料和出料；本实施例中，滚动轮3‑6、下主动滚轮3‑13的转动方向、上主动滚轮3‑15的转动方向如图2所示。

[0021] 所述滚压加工表面，具体是指将感应淬火处理好的卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2伸进下主动滚轮3‑13与上主动滚轮3‑15之间，下主动滚轮3‑13的转动方向与上主动滚轮3‑15的转动方向相反，带动卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2自动进给，提供了稳定的滚压装置，并且起到了一定的张紧作用，使得卡尺尺身3‑26或者卡爪4‑2在运送的过程中相对稳定且不易出现位置偏差；当卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2进给到前端面接触滚动轮3‑6时，开始对卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2前端面进行滚压加工，这不仅可完成对上下两面的同步滚压输送，还进行了卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2前端面的滚压加工，一次性完成3个表面（即卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2上端面、下端面、前端面）的三刃滚压加工，提高了滚压加工效率；
所述滚压校直，指第一次滚压加工完成后，第二伺服电机3‑16和第三伺服电机3‑
17反转，卡尺尺身3‑26或卡爪4‑2退回，这过程实现了二次滚压，即对卡尺尺身3‑26或卡爪
4‑2进行滚压校直，也进而使得滚压加工表面组织更均匀，改善滚压加工表面质量。

[0022] 一种高端卡尺不锈钢表面复合强化工艺，采用如上所述的一种高端卡尺不锈钢表面复合强化系统，具体包括如下步骤：S1、淬火处理；采用淬火装置将未经处理的卡尺尺身3‑26进行高频感应淬火并对
未经处理的卡尺卡爪4‑2进行局部感应淬火，淬火装置工作时设定其电流频率为200～
300kHz，待卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2竖直放进淬火感应器1‑2中加热至1030℃后对其保温30s，使其奥氏体化，之后再将卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2放入淬火液1‑4中进行油淬冷却；
S2、回火处理；通过超声清洗装置5对回火后的卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2进行
超声清洗，去除表面氧化皮，再分别将卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2放进回火装置中进行低温回火处理，回火温度为180℃，保温时间为4h，待回火出炉后再将卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2放置空气中冷却至室温，释放感应淬火内应力；
S3、滚压处理；分别通过滚压装置3对回火冷却后的卡尺尺身3‑26和卡尺卡爪4‑2
进行滚压处理，滚压处理时，先将卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2推入滚压机构的上滚压件和下滚压件之间，通过驱动机构的正向运转带动传动机构运转，使得传动机构带动滚压机构的侧边滚压件、上滚压件和下滚压件同步运转，以使卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2通过滚压方向相反的上滚压件和下滚压件运转将其滚压输送至侧边滚压件处，以使卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2进行上端面、下端面和前端面的三刃滚压加工，待滚压完成后使驱动机构的反向运转，使卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2从上滚压件和下滚压件之间退回，在细化表面组织的同时将卡尺直线度控制在0.1mm以内，完成卡尺尺身3‑26或卡尺卡爪4‑2的淬火变形滚压校直；
S4、强流脉冲电子束辐照处理；将卡尺卡爪4‑2放入HOPE‑I型强流脉冲电子束辐照
‑3
装置中进行强流脉冲电子束辐照，使卡尺卡爪4‑2在8×10 Pa的真空环境下，通过电子束能
2
量密度范围2～8J/cm、20～30kV加速电压产生的电子束持续对其进行1～3μs的脉冲冲击，完成表面改性；其中，将卡尺卡爪4‑2放置在真空室内的工作靶4‑1上，卡尺卡爪4‑2的待处‑3
理面面向电子束源4‑5，开启设备，然后抽真空至8×10 Pa、设定加速电压20～30kV和脉冲
2
持续时间1～3μs的多种参数组合，控制电子束能量密度范围为2～8J/cm ，产生电子束4‑3轰击卡尺卡爪4‑2表面，经特定时间间隔以后（选择不同脉冲处理次数：1、3、8、15、25、50 和 
65 次），再开始下一个脉冲的循环工作；
S5、清洗处理；关闭强流脉冲电子束辐照装置的电源，冷却10min～20min，将卡尺
卡爪4‑2从强流脉冲电子束辐照装置中取出，再通过超声清洗装置5对卡尺卡爪4‑2进行清洗。

[0023] 综上，本发明所提供的一种高端卡尺不锈钢表面复合强化系统与工艺，其系统通过滚压装置3对热处理好的卡尺进行三刃滚压处理，可以在提高加工效率的同时使得卡尺表层组织均匀化，降低卡尺表面粗糙度，并且校直因热处理后产生的形变，有效实现了卡尺的全面校直，减少了淬火变形；通过强流脉冲电子束辐照装置对卡尺表层的杂质进行辐照，并使辐照过程在真空中完成，无任何杂质，能够有效将卡尺材料表面附着或埋藏的夹杂物、微观起伏及成分偏析等缺陷通过选择喷发效应得以祛除(即抛光、选择净化)，有效提高了卡尺的耐腐蚀性能；且经过强流脉冲电子束辐照装置进行表面改性后的卡尺，能够形成成分均匀、晶粒细化至纳米尺寸的表层，有效实现了对材料晶粒尺度的调控，改性表层与基体的兼容性能好，能够使卡尺基体和纳米结构表层无明显界面、不易脱落，极大延长了卡尺的使用寿命。

[0024] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

[0025] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。