專利名稱：形成納米結(jié)構(gòu)方法和專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù)，具體地說是一種在金屬零件上形成納米結(jié)構(gòu)方法和專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常小于100nm的典型超細晶顆粒至少在一維方向上顯示出納米晶體材料的特征。這些材料可用已知的方法制備，例如IGC(隋性氣體冷凝)，SPD(強烈塑性變形)等，但這些材料通常有孔隙類缺陷多和易污染等缺點。
利用表面加工技術(shù)，金屬零件表面的晶?？梢约毣?，并有可能達到納米尺度。傳統(tǒng)的金屬表面加工方法，借助壓縮空氣將小尺寸的彈丸(例如金屬的)以5至100米/秒的速度噴射在材料的表面上，與超聲噴丸(彈丸速度在5至20米/秒之間)相比，傳統(tǒng)噴丸方法優(yōu)點在于彈丸有更大的噴射速度。傳統(tǒng)噴丸方法不足之處在于所使用的彈丸實際上是非圓形狀(例如圓柱狀)，是通過研磨得到的近似于圓形的金屬塊，這種丸不是完全球狀的，因而是一種不合格的“彈丸”。當(dāng)彈丸在表面上撞擊時，缺損的球形會引起應(yīng)力集中在局部造成損傷的積累，這種損傷積累可能在材料上產(chǎn)生裂紋，并且當(dāng)噴丸處理的持續(xù)時間較長時，可能使材料的表面發(fā)生鱗片狀剝落。其次彈丸不能立即重新使用，而是需要一個再循環(huán)設(shè)備實現(xiàn)彈丸的循環(huán)供給、噴射，整個過程若沒有再循環(huán)設(shè)備，就必然需要大量的彈丸；對于零件上給定的表面，每次入射噴射都是單向的、角度固定的；另外，從已取得的結(jié)果來看，經(jīng)過表面處理過的零件的表面不含有或很少有納米結(jié)構(gòu)。
法國專利申請(申請?zhí)?689431)或俄羅斯專利申請(申請?zhí)?391135)，提供一種在預(yù)定的時間里利用超聲波使金屬零件產(chǎn)生強化的方法，它能在封閉的空間中通過超聲波發(fā)生器的中間體實現(xiàn)彈丸的運動。根據(jù)法國專利證申請的方法，可通過調(diào)節(jié)彈丸的速度使金屬零件取得確定的表面粗糙度和確定深度的硬化層。為了獲得理想的處理效果，發(fā)射系統(tǒng)移動的速度應(yīng)滿足一個確定值，低于這個值材料的表面可實現(xiàn)冷作硬化，高于這個值進行處理則效果不均勻。這就是說，不論材料表面的哪個點都不能被重復(fù)噴射，只能噴射一次。上述專利申請中，可考慮的發(fā)射和移動速度只是每秒鐘幾十個厘米，其噴射幅度為100μm。因此，采用現(xiàn)有的加工方法，難以在材料上獲得一定深度的納米結(jié)構(gòu)，例如從幾到幾十微米深度的納米結(jié)構(gòu)表層。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補以前的不足，本發(fā)明的目的是提供一種形成納米結(jié)構(gòu)方法和專用設(shè)備，它能利用完全球狀的彈丸，以可變?nèi)肷浣菄娚浞绞侥茉诓牧系谋砻嫔闲纬梢粚优c基體材料化學(xué)成分完全相同的、晶粒尺寸為幾十納米的顯微組織，即一個納米尺度的顯微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的表層，其厚度范圍為十幾至幾百微米，這亦稱之為表面納米化(SNC)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
在金屬零件上進行表面處理，獲得一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，具體步驟為1)對待處理金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力；其應(yīng)力值為小于金屬零件材料的屈服應(yīng)力；2)在確定的持續(xù)時間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長期重復(fù)使用的完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進行一種噴射處理；3)隨著撞擊點的移動，反復(fù)進行步驟2)，以便使撞擊點覆蓋金屬零件的全部待處理表面。
其專用設(shè)備包括彈丸，所述彈丸為完全球狀的，具有確定的尺寸、速度和數(shù)量；還包括容器、固定部件、循環(huán)噴射裝置、回收裝置，其中待處理金屬零件與固定部件相連，構(gòu)成容器的一個壁面，在容器中彈丸由循環(huán)噴射裝置驅(qū)動、以可變?nèi)肷浣桥c金屬零件表面反復(fù)撞擊接觸，循環(huán)噴射裝置為能使彈丸對金屬零件表面、在一個相同撞擊面上以多個入射角進行多次撞擊的裝置；重新使用彈丸的回收裝置安裝在容器上。
本發(fā)明的原理是對金屬零件進行表面處理，通過各個方向上隨機產(chǎn)生的塑性變形，有效地降低整個表面上的晶粒尺寸，這種表面結(jié)構(gòu)的變化一方面可以改變金屬零件的機械性能，另一方面可以改善金屬零件淺表層上的擴散性質(zhì)。納米微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的機械特性研究表明金屬的晶粒尺寸越小，其機械強度越大。因此，目前的研究以開發(fā)出可獲得僅由納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成零件的制造方法為主。本發(fā)明則是通過產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的方法在整個金屬零件上形成一個具有納米結(jié)構(gòu)特征的表層，這個表層足以保證零件能獲得力求達到的特性，例如希望的機械性能(疲勞、耐磨擦損性、應(yīng)力下的耐蝕性)。取得納米結(jié)構(gòu)是要減小金屬零件表面的晶粒尺寸，例如，純鐵零件最初的晶粒尺寸為100μm，按照本發(fā)明進行處理后，零件表面的晶粒尺寸可降至只有幾十納米。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明通過產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的方法及其專用設(shè)備，可有效地降低金屬零件表面上的晶粒尺寸，在整個金屬零件的表面上形成一層與基體材料化學(xué)成分完全相同的、晶粒尺寸為幾十納米的顯微組織，材料表面納米結(jié)構(gòu)的厚度范圍為十幾至幾百微米。
2.本發(fā)明產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的方法及其專用設(shè)備，在噴口處設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸和活動組件，實現(xiàn)了噴口在活動組件上的平動和繞軸轉(zhuǎn)動，使彈丸能在待處理金屬零件表面的同一撞擊點上，以可變?nèi)肷浣沁M行噴射，使金屬零件表面的隨機方向上產(chǎn)生塑性變形。
3.本發(fā)明在表面噴射處理中對待理的金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力的同時采用能使彈丸進行運動的超聲波發(fā)生器，有助于在金屬零件中產(chǎn)生強烈的塑性變形，可獲得幾百微米(或更大)厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。
4.本發(fā)明采用完全球狀的彈丸，并且是高質(zhì)量的、數(shù)量確定的，在彈丸撞擊時可以避免應(yīng)力在金屬零件限定的局部累積而損壞材料。由于在形成納米結(jié)構(gòu)表層的過程中，這種完全球狀的彈丸能夠在材料的表面各種方向產(chǎn)生塑性變形，那么，多方向上塑性變形的重復(fù)就會導(dǎo)致待處理金屬零件晶粒的碎化并造成它們尺寸的下降。
5.由于本發(fā)明采用了回收裝置及重新使用彈丸的循環(huán)噴射裝置，解決了彈丸再循環(huán)的問題。


圖1為本發(fā)明專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2A為本發(fā)明一個實施例中外加應(yīng)力裝置的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2B為圖2A中墊塊的俯視剖面圖。
圖3A為本發(fā)明另一實施例中外加應(yīng)力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3B為圖3A中下部平臺的俯視圖。
圖4為本發(fā)明又一實施例中采用帶有外加應(yīng)力裝置、通過使用超聲波形成納米結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例詳述本發(fā)明。
在金屬零件上進行表面處理，以取得一層納米結(jié)構(gòu)，具體步驟為1)對待處理金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力；其應(yīng)力值為小于金屬零件材料的屈服應(yīng)力；2)在確定的持續(xù)時間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長期重復(fù)使用的完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進行一種噴射處理；3)隨著撞擊點的移動，反復(fù)進行步驟2)，以便使撞擊點覆蓋金屬零件的全部待處理表面；
所述表面噴射處理采用空氣壓縮機或渦輪55，提供使彈丸運動的動力，使彈丸按隨機方向進行運動；所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器的聲波及其與彈丸的相互作用使彈丸按隨機的方向進行運動；在所述表面噴射處理中對待處理的金屬零件進行加熱處理，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長大的溫度以下；所述表面噴射處理是對金屬零件待處理區(qū)域進行局部冷卻；所述彈丸按使用者希望的納米結(jié)構(gòu)表層厚度采用完全球狀的，其直徑保持在300μm～3mm之間；所述彈丸運動速度為3～100米/秒；當(dāng)所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器時，所述彈丸運動速度為5～20米/秒；對于確定的彈丸尺寸、確定的構(gòu)成零件的材料所述表面噴射處理的持續(xù)時間在30至1300秒之間；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運動靜止時，彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的10％到100％之間變化；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運動靜止時，彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的25～35％；其專用設(shè)備包括彈丸22，所述彈丸22為完全球狀的，具有確定的尺寸、速度和數(shù)量；還包括容器、固定部件、循環(huán)噴射裝置50、回收裝置40和施加機械和/或熱應(yīng)力裝置，其中待處理金屬零件10與固定部件21相連，構(gòu)成容器20的一個壁面，在容器20中彈丸22由循環(huán)噴射裝置50驅(qū)動、以可變的入射角與金屬零件10表面反復(fù)撞擊接觸，循環(huán)噴射裝置50為能使彈丸22對金屬零件10表面在一個相同撞擊面上以多個入射角進行多次撞擊的裝置；重新使用彈丸22的回收裝置40安裝在容器20上；所述施加機械和/或熱應(yīng)力裝置安裝在金屬零件10上或容器20中；
所述循環(huán)噴射裝置50包括噴口51、撓性件54，噴口51置于容器20中，通過撓性件54與空氣壓縮機或渦輪55連接，空氣壓縮機構(gòu)或渦輪55提供一個動力，使彈丸22經(jīng)過撓性件54、通過噴口51實現(xiàn)噴射；空氣壓縮機或渦輪55的另一端口與回收裝置40相通；在噴口51與撓性件54之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸52，當(dāng)彈丸22撞擊金屬零件10表面時、在A、B入射角范圍內(nèi)噴口51實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)；所述噴口51的旋轉(zhuǎn)軸52安裝在平行于待處理金屬零件10表面、在C和D兩個方向或垂直于C、D的G方向上進行平移的活動組件53上；使彈丸22進行運動的循環(huán)噴射裝置50采用超聲波發(fā)生器50′，安裝在容器20下面，重新使用彈丸22的回收裝置40由容器20的腔體構(gòu)成；還包括對金屬零件10整體或局部加熱的加熱裝置，安裝在金屬零件10上或容器20中；還包括一對金屬零件10的待處理區(qū)域進行局部冷卻的冷卻裝置，安裝在金屬零件10上或容器20中；所述循環(huán)噴射裝置50采用空氣壓縮機或渦輪55，其持續(xù)時間和速度可調(diào)；所述循環(huán)噴裝置采用的超聲波發(fā)生器50′，其持續(xù)時間、頻率和幅度可調(diào)；還包括可調(diào)整待處理金屬零件10表面與其相對壁板或噴口51之間距離d的調(diào)整裝置；所述待處理金屬零件10表面與噴口51之間的距離d為4～40mm；金屬零件10表面與容器20內(nèi)對面壁板之間的距離d為4～5mm；所述彈丸按使用者希望的納米結(jié)構(gòu)表層厚度采用完全球狀的，其直徑保持在300μm～3mm之間；所述彈丸運動速度為3～100米/秒；當(dāng)所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器時，所述彈丸運動速度為5～20米/秒；對于確定的彈丸尺寸、確定的構(gòu)成零件的材料所述表面噴射處理的持續(xù)時間在30至1300秒之間；當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置50的運動靜止時，所述彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的10％到100％之間；當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置50的運動靜止時，所述彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的25～35％；所述容器20、彈丸22、金屬零件10、固定部件21、回收裝置40、循環(huán)噴射裝置50封閉在一個隔音腔體25中。
實施例1在金屬零件上進行表面處理，以取得一層納米結(jié)構(gòu)，具體步驟為1)對待處理金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力；其應(yīng)力值為小于金屬零件材料的屈服應(yīng)力；2)在確定的持續(xù)時間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長期重復(fù)使用的完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進行一種噴射處理；3)隨著撞擊點的移動，反復(fù)進行步驟2)，以便使撞擊點覆蓋金屬零件的全部待處理表面；其專用設(shè)備如圖1所示，在一個隔音腔體25中，包括彈丸22，所述彈丸22為完全球狀的，具有確定的尺寸、速度和數(shù)量；還包括容器20、固定部件21、循環(huán)噴射裝置50、回收裝置40，其中待處理金屬零件10與固定部件21相連，構(gòu)成容器20的一個壁面，在容器20中彈丸22由循環(huán)噴射裝置50驅(qū)動、以可變?nèi)肷浣桥c金屬零件10表面反復(fù)撞擊接觸，循環(huán)噴射裝置50為能對金屬零件10表面、在一個相同撞擊面上以多個入射角進行多次撞擊的裝置；重新使用彈丸22使彈丸22的回收裝置40安裝在容器20上；本實施例容器20為杯狀物；所述循環(huán)噴射裝置50包括噴口51、撓性件54，噴口51置于容器20中，通過撓性件54與空氣壓縮機構(gòu)或渦輪55連接，空氣壓縮機構(gòu)或渦輪55提供一個動力，使彈丸22經(jīng)過撓性件54、通過噴口51實現(xiàn)噴射；空氣壓縮機構(gòu)或渦輪55的另一端口與回收裝置40相通；在噴口51與撓性件54之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸52，當(dāng)彈丸22撞擊金屬零件10表面時，在A、B入射角范圍內(nèi)噴口51實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)，所述A、B入射角范圍的選擇應(yīng)使噴射的彈丸22能覆蓋金屬零件10的全部表面；本實施例所述噴口51的旋轉(zhuǎn)軸52安裝在平行于待處理金屬零件10的表面、可在C和D兩個方向及垂直于C、D的G方向上進行平移的活動組件53上；為了覆蓋整個表面，它可按照一個曲折的軌跡同金屬零件10的表面進行面對面的移動，在移動過程中它進一步改變了彈丸22相對于待處理金屬零件10表面的噴射入射角，實現(xiàn)在同一撞擊點、以可變?nèi)肷浣堑膰娚?，以便使金屬零?0在隨機方向上產(chǎn)生塑性變形，并在一定的溫度下形成納米結(jié)構(gòu)。
當(dāng)希望取得從幾十到幾百個微米厚度的納米結(jié)構(gòu)表層時，本實施例待處理金屬零件10的表面處理是在外加熱應(yīng)力狀態(tài)下進行，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長大的溫度以下。具體為在待處理的金屬零件10的上下表面以不同的溫度T1、T2進行加熱處理，經(jīng)過這樣加熱后產(chǎn)生的溫差使材料內(nèi)部產(chǎn)生一個熱應(yīng)力，在所述熱應(yīng)力作用下，受到彈丸22撞擊的金屬零件10表面上可獲得厚度完全相同的納米晶組織，或者在局部獲得厚度不同的納米晶組織，其加熱裝置可以是利用輻射、傳導(dǎo)或?qū)α鞯募訜嵩O(shè)備，將其安裝在金屬零件10上、或在容器20中或其它容器20的外部。
本發(fā)明通過噴射生成納米結(jié)構(gòu)的原理是借助投射噴口51使完全球狀的彈丸22進行運動；噴口51被裝在一個容器20里，通過撓性件54與空氣壓縮機或渦輪55相連，在噴口51與撓性件54之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸52，從旋轉(zhuǎn)軸52的確定位置開始，噴口51在A和B角度方向上實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)，其中A和B方向的角度范圍包括了能使指彈丸22撞擊到待處理金屬零件10的全部表面的角度；因此，在運動過程中，彈丸22可根據(jù)不同的和變化的入射方向多次地撞擊金屬零件10表面的每個點，每次撞擊都會在金屬或合金的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，并形成一個隨機的晶體學(xué)取向，金屬零件10的表面材料在一定的溫度下發(fā)生再結(jié)晶；本發(fā)明使金屬零件10保持原位置，通過固定部件21實現(xiàn)噴口51的平移和旋轉(zhuǎn)，用固定部件21調(diào)整噴口51到金屬零件10表面的距離，調(diào)整范圍在4～40mm；為了在容器20的腔體中使用較少數(shù)量的彈丸，容器20內(nèi)還裝有彈丸22的快速回收、開口朝上的回收裝置40，其空間形狀是圓錐形或半球形；因彈丸22的重力有利于回收，位于這個區(qū)域中的出口200可通過一個撓性件54把彈丸22引向噴口51。
根據(jù)本發(fā)明，形成納米結(jié)構(gòu)的工藝可以通過三種方法來改善首先，選擇的用于撞擊待處理金屬零件10表面的彈丸22應(yīng)是完全球狀的、具有高質(zhì)量和限定數(shù)量的，例如，選擇滾動軸承的鋼珠。根據(jù)彈丸的質(zhì)量，通過一臺噴射彈丸的快速循環(huán)噴射裝置50來限定彈丸的數(shù)量。
使用完全球狀的鋼制(或用其它材料)彈丸22可避免應(yīng)力集中的發(fā)生及在待處理零件上產(chǎn)生損傷。因此采用本發(fā)明的方法，彈丸撞擊材料時可在材料表面產(chǎn)生形成納米結(jié)構(gòu)所需的塑性變形，重復(fù)進行各個方向的塑性變形可使金屬的晶粒尺寸減小到納米尺度。
其次，本發(fā)明方法的專用設(shè)備能不斷地改變噴射入射角以達到取得隨機入射角處理的作用，采用循環(huán)噴射裝置50從一個固定點開始、沿各種噴射方向掃過整個金屬零件10表面，本實施例在噴口51與撓性件54之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸52，從旋轉(zhuǎn)軸52確定位置開始，噴口51在A和B角度范圍內(nèi)實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)，使彈丸22能撞擊金屬零件10全部表面；在容器20中彈丸22由循環(huán)噴射裝置50驅(qū)動，可以實現(xiàn)以變?nèi)肷浣堑男问脚c金屬零件10的表面進行反復(fù)撞擊接觸。
傳統(tǒng)的噴丸處理方法不能取得足夠厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。實際上，傳統(tǒng)的噴丸處理方法借助于噴槍來噴射彈丸，在處理時彈丸不能立即重新使用，所以所用丸的質(zhì)量較差，特別是不是完全球狀的彈丸易引起材料損傷。此外，彈丸22的噴射方向恒定不變，無法實現(xiàn)各個方向上的塑性變形。值得注意的是，在所有的傳統(tǒng)噴丸設(shè)備中都有一個彈丸回收系統(tǒng)，盡管彈丸的數(shù)量很多(幾十到幾百公斤)，但不能馬上使用。這樣，處理溫度就不一定合適。本發(fā)明回收裝置40經(jīng)容器20底部通向循環(huán)噴射裝置50，實現(xiàn)了彈丸的自動回收和立即重新使用。
另外，本發(fā)明采用在外加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力的同時進行噴射處理，可以獲得幾到幾百微米厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。本實施例為外加熱應(yīng)力處理方案。
實施結(jié)果表明本發(fā)明在無外加應(yīng)力的狀態(tài)下對金屬零件10進行表面加工，可獲得具有20到50μm厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。對于不同的金屬(如鐵、鈦、鋁、銅、鈮、鈷等及其合金材料，本發(fā)明方法中不同參數(shù)的選擇所述金屬零件10表面與其相對噴口51間的距離為4～40mm；所述彈丸22的直徑在300μm至3mm的范圍內(nèi)選擇；當(dāng)通過循環(huán)噴射的運動靜止時，彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的10％到100％之間；表面處理的持續(xù)時間30～1300秒之間；彈丸速度為3～100米/秒。
彈丸22尺寸不同所需的持續(xù)時間不相同，持續(xù)時間越長，納米結(jié)構(gòu)表層的厚度就越大，直至納米結(jié)構(gòu)表層厚度增加到不再改變時，才達到飽和的持續(xù)時間。本發(fā)明納米結(jié)構(gòu)表層厚度確定值的取得可以通過經(jīng)驗，或是通過給定金屬零件10的材料的數(shù)學(xué)模擬。然而，當(dāng)持續(xù)時間大于納米結(jié)構(gòu)表層厚度確定值所對應(yīng)的飽和持續(xù)時間時，納米結(jié)構(gòu)表層的厚度就會減少，這種現(xiàn)象是由于彈丸22在待處理金屬零件10表面上的撞擊妨礙了其材料散熱造成的，或者說從某一個界線開始，金屬晶粒尺寸的增大就是熱效應(yīng)的結(jié)果；按照本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)方法選擇參數(shù)，其一般原則是彈丸22的動能越大，在材料深層產(chǎn)生應(yīng)力水平就越高。通過在金屬零件10表面上的撞擊時釋放的動能和彈丸22與金屬零件10的撞擊產(chǎn)生發(fā)熱而引起機械強度的變化可定義出動能的上限。
為了取得很大的納米結(jié)構(gòu)表層或減少處理的持續(xù)時間，本發(fā)明可優(yōu)化其它的參數(shù)。例如通過彈丸22將動能傳送到金屬零件10的表面而實現(xiàn)表面處理時，彈丸22的硬度起重要作用。另外，本發(fā)明的進一步改進為，噴口51可固定，但金屬零件10可轉(zhuǎn)動，目的是通過隨機和不同方向上的撞擊實現(xiàn)在一個點上的處理；本實施例所述金屬零件10也可安裝在容器20的一個壁面上。
實施例2與實施例1不同之處在于當(dāng)希望取得從幾十到幾百個微米厚度的納米結(jié)構(gòu)表層時，本實施例待處理金屬零件10的表面處理是在外加機械應(yīng)力狀態(tài)下進行。
如圖2A、2B所示，為本發(fā)明待處理金屬零件10的表面處于受外加應(yīng)力的狀態(tài)下，采用一種固定部件21將金屬零件10固緊。其固定部件21由一個底板21.2構(gòu)成，壓板法蘭接頭21.1裝在底板21.2上，金屬零件10緊靠著插入在零件10和底板21.2之間的保護墊塊21.3上，穿過底板21.2和墊塊21.3的貫通孔A21.21和B21.31的一根桿21.4給由法蘭盤21.2固定住的金屬零件10施加一個力，所述貫通孔A21.21處設(shè)有螺紋，桿21.4與底板21.2上的貫通孔A21.21擰緊安裝的同時取得所述壓力。然后將所述具有機械應(yīng)力的金屬零件10連同固定部件21一起安裝在容器20上，作為容器20的一個壁面。
本發(fā)明沒有限定實現(xiàn)外加應(yīng)力的方式，但是各種方式均有可能在金屬零件10的一個或多個地方同時采用。因此，可以考慮用多個桿21.4在多個地方施加不同的應(yīng)力來取得不同厚度的納米結(jié)構(gòu)，以獲得與各個點處采用的外加應(yīng)力成正比的納米結(jié)構(gòu)。
如圖3A、3B所示，為本發(fā)明在有外加應(yīng)力狀態(tài)下調(diào)整設(shè)備的實施方案，在金屬零件10各個端部上的牽拉式外加應(yīng)力裝置有可能使金屬零件10處于外加應(yīng)力狀態(tài)。例如，這種牽拉式外加應(yīng)力裝置可由一個上部平臺31、一個下部平臺32和三個分別隔開120°的用于調(diào)整距離的螺桿螺栓33構(gòu)成，通過牽拉使金屬零件10的端部與每個平臺相連接。例如，金屬零件10由入口穿過每個平臺，并在入口處與每個平臺緊密接觸，再用螺釘緊固，形成襯套結(jié)構(gòu)，將帶有金屬零件10的襯套結(jié)構(gòu)置入容器20中；如圖3B所示，平臺配有允許彈丸22循環(huán)和噴射的入丸口321；本實施例在用螺釘緊固金屬零件10時，可在金屬零件10上獲得一牽拉式外加應(yīng)力。
實施例3與實施例1不同之處在于本發(fā)明結(jié)合外加機械應(yīng)力和/或加熱處理在表面取得理想的結(jié)果是可以達到的。為了有利于位于材料深層晶粒的碎化，本發(fā)明也可采用外加機械應(yīng)力和/或提高溫度的方法，使材料的深層在各個方向上都更容易產(chǎn)生塑性變形。
實施結(jié)果表明在無外加機械應(yīng)力的狀態(tài)下對金屬零件10進行表面加工，本發(fā)明實驗結(jié)果獲得了具有20μm厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，在有外加應(yīng)力和/或加熱狀態(tài)下可獲得幾百微米(或更大)厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。在外加應(yīng)力值和提高溫度之間選取一項合適方案，有可能實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)表層厚度的增加。
實施例4與實施例3不同之處在于還包括金屬零件10的待處理區(qū)域進行局部冷卻的裝置，安裝在容器20中或金屬零件10上；本實施例用制冷裝置給容器20或金屬零件10冷卻以減小或消除發(fā)熱產(chǎn)生的不利影響；實際上，正如先前所述，溫度的提高有使金屬晶粒尺寸增大的趨勢，則材料不易產(chǎn)生裂紋，所以溫度控制要適中。
實施例5與實施例1不同之處在于使彈丸22進行運動的循環(huán)噴射裝置50采用超聲波發(fā)生器50′，重新使用彈丸22的回收裝置40由容器20的腔體構(gòu)成，超聲波發(fā)生器50′振動的頻率、幅度和持續(xù)時間可調(diào)；超聲波發(fā)生器的聲波及其彈丸的相互作用使彈丸按隨機的方向進行運動，所述彈丸采用完全球狀的彈丸。
如圖4所示，為本發(fā)明在一個隔音腔體25中通過超聲波發(fā)生器50′用超聲波形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖，其中固定部件21和待處理金屬零件10的結(jié)構(gòu)為如圖2所示的帶有外加應(yīng)力作用的裝置結(jié)構(gòu)類型，在本實施例中，超聲波發(fā)生器50′采用的激振器(Sonotrode)表面上為杯狀物容器20的下表面，杯狀物容器20的上部入口被一個配有金屬零件10的固定部件21封閉；就杯狀物容器20而言，用固定部件21調(diào)整金屬零件10受到?jīng)_擊的一面和構(gòu)成彈丸22發(fā)射表面的杯狀物容器20底部201之間距離d。
采用超聲波使彈丸運動的原理是，通過一個按確定的頻率工作的超聲波發(fā)生器50′使彈丸22進行運動，超聲波發(fā)生器50′把速度和振幅確定的運動傳送到容器20；激振器運動的振幅可在5到900微米之間選擇，本實施例為300微米；頻率在10～40KHz之間選擇，本實施例采用40KHz；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運動靜止時，彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的25～35％；速度在5～20米/秒的彈丸22在獲得杯狀物20運動的能量后，按可變的入射角多次撞擊在金屬零件10的表面，每次撞擊都會在金屬零件10的材料或合金的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生一種塑性變形；彈丸22撞擊金屬零件10而失去能量后，會重新掉落在杯狀物容器20的壁板上，并在按照物理定律確定的隨機方向上獲得一個新的速度。其中杯狀物容器20可以由其它形狀的容器來代替。
振動發(fā)生裝置為超聲波發(fā)生器時，超聲波發(fā)生器的振動頻率在10～40KHz之間選擇，完全球狀的彈丸的直徑按照所希望納米結(jié)構(gòu)表層的厚度在300μm至3mm之間選擇；對于確定的彈丸尺寸、確定的構(gòu)成零件的材料，所述表面處理的持續(xù)時間在30至1300秒之間，具體按照用戶所希望獲得的納米結(jié)構(gòu)的厚度來確定。金屬零件10表面與容器20內(nèi)對面壁板之間的距離為4～5mm；當(dāng)通過超聲波進行的運動靜止時，彈丸22的數(shù)量占據(jù)容器20底部表面的30％；為了取得很大的納米結(jié)構(gòu)表層或減少處理的持續(xù)時間，本發(fā)明可優(yōu)化其它的參數(shù)。例如當(dāng)采用一臺使彈丸22進行運動的超聲波發(fā)生器作為循環(huán)噴射裝置50時，通過聲波產(chǎn)生的聲壓也影響著形成納米結(jié)構(gòu)的過程。
本發(fā)明超聲波發(fā)生器50′，也可以同圖3A、3B所示的牽拉式外加應(yīng)力裝置連接在一起使用，或配合加熱裝置加入外加熱應(yīng)力。
實施結(jié)果表明為了取得大約20μm厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，待處理金屬零件10的表面通過超聲波暴露在直徑大約為3mm的彈丸22下2至3分鐘即可形成納米結(jié)構(gòu)。同樣地，為了取得大約10μm厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，需要待處理金屬零件10的表面通過超聲波暴露在直徑300μm的彈丸22下大約400秒才能得到納米結(jié)構(gòu)。必要時，總的時間可以延長，或根據(jù)材料特性及要求縮短。對于確定的彈丸22尺寸和確定的材料來說，形成納米結(jié)構(gòu)的持續(xù)時間可由使用者所希望獲得的納米結(jié)構(gòu)的厚度而定。
顯然，對于對本發(fā)明所用工藝有興趣的人們來說，介紹的發(fā)明有多種其它形式的實施方式，正如本發(fā)明要求所述，這些都沒有脫離發(fā)明應(yīng)用的范圍。所述實施方式只是展示幾個實例，它們可結(jié)合本發(fā)明的具體要求在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)整，并不只限定在上面給出的細節(jié)上。
權(quán)利要求
1.一種形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于在金屬零件上進行表面處理，以取得一層納米結(jié)構(gòu)，具體步驟為1)對待處理金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力；其應(yīng)力值為小于金屬零件材料的屈服應(yīng)力；2)在確定的持續(xù)時間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長期重復(fù)使用的完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進行一種噴射處理；3)隨著撞擊點的移動，反復(fù)進行步驟2)，以便使撞擊點覆蓋金屬零件的全部待處理表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述表面噴射處理采用空氣壓縮機或渦輪(55)，提供使彈丸運動的動力，使彈丸按隨機方向進行運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器的聲波及其與彈丸的相互作用使彈丸按隨機的方向進行運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于在所述表面噴射處理中對待處理的金屬零件進行加熱處理，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長大的溫度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述表面噴射處理是對金屬零件待處理區(qū)域進行局部冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述彈丸按使用者希望的納米結(jié)構(gòu)表層厚度采用完全球狀的，其直徑保持在300μm～3mm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述彈丸運動速度為3～100米/秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于當(dāng)所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器時，所述彈丸運動速度為5～20米/秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于對于確定的彈丸尺寸、確定的構(gòu)成零件的材料所述表面噴射處理的持續(xù)時間在30至1300秒之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述表面噴射處理產(chǎn)生的運動靜止時，彈丸(22)的數(shù)量占據(jù)容器(20)底部表面的10％到100％之間變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述形成納米結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述表面噴射處理產(chǎn)生的運動靜止時，彈丸(22)的數(shù)量占據(jù)容器(20)底部表面的25～35％。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)方法的專用設(shè)備，包括彈丸(22)，其特征在于所述彈丸(22)為完全球狀的，具有確定的尺寸、速度和數(shù)量；還包括容器、固定部件、循環(huán)噴射裝置(50)、回收裝置(40)和施加機械和/或熱應(yīng)力裝置，其中待處理金屬零件(10)與固定部件(21)相連，構(gòu)成容器(20)的一個壁面，在容器(20)中彈丸(22)由循環(huán)噴射裝置(50)驅(qū)動、以可變的入射角與金屬零件(10)表面反復(fù)撞擊接觸，循環(huán)噴射裝置(50)為能使彈丸(22)對金屬零件(10)表面在一個相同撞擊面上以多個入射角進行多次撞擊的裝置；重新使用彈丸(22)的回收裝置(40)安裝在容器(20)上；所述施加機械和/或熱應(yīng)力裝置安裝在金屬零件(10)上或容器(20)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述形成納米結(jié)構(gòu)方法的專用設(shè)備，其特征在于所述循環(huán)噴射裝置(50)包括噴口(51)、撓性件(54)，噴口(51)置于容器(20)中，通過撓性件(54)與空氣壓縮機或渦輪(55)連接，空氣壓縮機構(gòu)或渦輪55提供一個動力，使彈丸22經(jīng)過撓性件54、通過噴口51實現(xiàn)噴射；空氣壓縮機或渦輪(55)的另一端口與回收裝置(40)相通；在噴口(51)與撓性件(54)之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸(52)，當(dāng)彈丸(22)撞擊金屬零件(10)表面時、在A、B入射角范圍內(nèi)噴口(51)實現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)；所述噴口(51)的旋轉(zhuǎn)軸(52)安裝在平行于待處理金屬零件(10)表面、在C和D兩個方向或垂直于C、D的G方向上進行平移的活動組件(53)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述專用設(shè)備，其特征在于使彈丸(22)進行運動的循環(huán)噴射裝置(50)采用超聲波發(fā)生器(50′)，安裝在容器(20)下面，重新使用彈丸(22)的回收裝置(40)由容器(20)的腔體構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于還包括對金屬零件(10)整體或局部加熱的加熱裝置，安裝在金屬零件(10)上或容器(20)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于還包括一對金屬零件(10)的待處理區(qū)域進行局部冷卻的冷卻裝置，安裝在金屬零件(10)上或容器(20)中。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述專用設(shè)備，其特征在于所述循環(huán)噴射裝置(50)采用空氣壓縮機或渦輪(55)，其持續(xù)時間和速度可調(diào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述專用設(shè)備，其特征在于所述循環(huán)噴裝置采用的超聲波發(fā)生器(50′)，其持續(xù)時間、頻率和幅度可調(diào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于還包括可調(diào)整待處理金屬零件(10)表面與其相對壁板或噴口(51)之間距離d的調(diào)整裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求13或19所述專用設(shè)備，其特征在于所述待處理金屬零件(10)表面與噴口(51)之間的距離d為4～40mm。
21.根據(jù)權(quán)利要求14或20所述專用設(shè)備，其特征在于金屬零件(10)表面與容器(20)內(nèi)對面壁板之間的距離d為4～5mm。
22.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于所述彈丸按使用者希望的納米結(jié)構(gòu)表層厚度采用完全球狀的，其直徑保持在300μm～3mm之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于所述彈丸運動速度為3～100米/秒。
24.根據(jù)權(quán)利要求12或14所述專用設(shè)備，其特征在于當(dāng)所述表面噴射處理采用超聲波發(fā)生器時，所述彈丸運動速度為5～20米/秒。
25.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于對于確定的彈丸尺寸、確定的構(gòu)成零件的材料所述表面噴射處理的持續(xù)時間在30至1300秒之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置(50)的運動靜止時，所述彈丸(22)的數(shù)量占據(jù)容器(20)底部表面的10％到100％之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置(50)的運動靜止時，所述彈丸(22)的數(shù)量占據(jù)容器(20)底部表面的25～35％。
28.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述專用設(shè)備，其特征在于所述容器(20)、彈丸(22)、金屬零件(10)、固定部件(21)、回收裝置(40)、循環(huán)噴射裝置(50)封閉在一個隔音腔體(25)中。
全文摘要
一種形成納米結(jié)構(gòu)方法和專用設(shè)備,方法:在金屬零件上進行表面處理,1)對待處理金屬零件施加機械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力;2)用完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進行一種噴射處理;3)隨著撞擊點的移動,反復(fù)步驟2),使撞擊點覆蓋金屬零件的全部待處理表面;專用設(shè)備:包括完全球狀的彈丸,待處理金屬零件與固定部件相連,構(gòu)成容器的一個壁面,在容器中彈丸由循環(huán)噴射裝置驅(qū)動、以可變?nèi)肷浣桥c金屬零件表面反復(fù)撞擊接觸,循環(huán)噴射裝置為能使彈丸對金屬零件表面、在一個相同撞擊面上以多個入射角進行多次撞擊的裝置;重新使用彈丸的回收裝置安裝在容器上。它能在材料的表面上形成納米尺度的顯微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的表層。
文檔編號C21D7/00GK1336444SQ01122979
公開日2002年2月20日 申請日期2001年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月28日
發(fā)明者盧柯, 呂堅 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所