專利名稱：形成納米結(jié)構(gòu)處理方法和專用處理設(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(shuō)是一種金屬零件上形成納米結(jié)構(gòu)的處理方法和專用處理設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常小于100nm的典型超細(xì)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(qiáng)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(diǎn)。
利用表面加工技術(shù)，金屬零件表面的晶粒可以細(xì)化，并有可能達(dá)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(diǎn)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(shí)際上是非圓形狀(例如圓柱狀)，是通過(guò)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(shí)，缺損的球形會(huì)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，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(gè)再循環(huán)設(shè)備實(shí)現(xiàn)彈丸的循環(huán)供給、噴射，整個(gè)過(guò)程若沒(méi)有再循環(huán)設(shè)備，就必然需要大量的彈丸；對(duì)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(lái)看，經(jīng)過(guò)表面處理過(guò)的零件的表面不含有或很少有納米結(jié)構(gòu)。
法國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?689431)或俄羅斯專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?391135)，提供一種在預(yù)定的時(shí)間里利用超聲波使金屬零件產(chǎn)生強(qiáng)化的方法，它能在封閉的空間中通過(guò)超聲波發(fā)生器的中間體實(shí)現(xiàn)彈丸的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法國(guó)專利證申請(qǐng)的方法，可通過(guò)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(dòng)的速度應(yīng)滿足一個(gè)確定值，低于這個(gè)值材料的表面可實(shí)現(xiàn)冷作硬化，高于這個(gè)值進(jìn)行處理則效果不均勻。這就是說(shuō)，不論材料表面的哪個(gè)點(diǎn)都不能被重復(fù)噴射，只能噴射一次。上述專利申請(qǐng)中，可考慮的發(fā)射和移動(dòng)速度只是每秒鐘幾十個(gè)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(bǔ)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)處理方法和專用處理設(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(gè)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是在金屬零件上進(jìn)行表面處理，獲得納米結(jié)構(gòu)表層，具體步驟為
1)在確定的持續(xù)時(shí)間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點(diǎn)、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長(zhǎng)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(jìn)行一種噴射處理；2)移動(dòng)撞擊點(diǎn)位置、重復(fù)步驟1)，使撞擊點(diǎn)覆蓋金屬零件的全部待處理表面；3)當(dāng)實(shí)施所述步驟1)、2)的同時(shí)，在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理。
其專用處理設(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(gè)壁面，在容器中彈丸由循環(huán)噴射裝置驅(qū)動(dòng)、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(duì)金屬零件表面、在一個(gè)相同撞擊面上以多個(gè)入射角進(jìn)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，在一個(gè)密封的隔音腔體中還設(shè)有化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置，它可在金屬零件上取得確定的物理化學(xué)性能。
本發(fā)明的原理是對(duì)金屬零件進(jìn)行表面處理，通過(guò)各個(gè)方向上隨機(jī)產(chǎn)生的塑性變形，有效地降低整個(gè)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(jī)械性能，另一方面可以改善金屬零件淺表層上的擴(kuò)散性質(zhì)。納米微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性研究表明金屬的晶粒尺寸越小，其機(jī)械強(qiáng)度越大。因此，目前的研究以開(kāi)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(guò)產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)處理方法在整個(gè)金屬零件上形成一個(gè)具有納米結(jié)構(gòu)特征的表層，這個(gè)表層足以保證零件能獲得力求達(dá)到的特性，例如希望的機(jī)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(jìn)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(diǎn)1.本發(fā)明通過(guò)產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械方法及其專用處理設(shè)備，可有效地降低金屬零件表面上的晶粒尺寸，在整個(gè)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。所述具有納米結(jié)構(gòu)特征的表層，足以保證金屬零件能獲得力求達(dá)到的特性，例如希望的機(jī)械性能(疲勞、耐磨擦損性、應(yīng)力下的耐蝕性)。
2.采用本發(fā)明產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)處理方法及其專用處理設(shè)備，金屬零件淺表層上的擴(kuò)散性質(zhì)明顯改善。與現(xiàn)有的工藝技術(shù)相比，本發(fā)明能夠減少滲氮處理的時(shí)間，并使金屬零件在低處理溫度下進(jìn)行滲氮變?yōu)榭赡?。而以前滲氮應(yīng)在大約550℃時(shí)進(jìn)行，在這個(gè)溫度下對(duì)金屬零件進(jìn)行處理可能會(huì)引起材料的變形，對(duì)金屬零件來(lái)說(shuō)精密的幾何形狀是極其重要的，如此的變形常常是不允許的。采用本發(fā)明進(jìn)行納米化預(yù)處理后再進(jìn)行滲氮，降低了處理溫度、減小或消除了零件的變形，從而使得精密金屬零件也能夠進(jìn)行滲氮操作。
3.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(shí)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(guò)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(huì)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。
4.本發(fā)明產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)處理方法及其專用處理設(shè)備，采用彈丸的循環(huán)噴射裝置，在噴口處設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸和活動(dòng)組件，實(shí)現(xiàn)了噴口在活動(dòng)組件上的平動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使彈丸能在待處理金屬零件表面的同一撞擊點(diǎn)上，以可變?nèi)肷浣沁M(jìn)行噴射，使金屬零件表面的隨機(jī)方向上產(chǎn)生塑性變形。
5.本發(fā)明在表面噴射處理中對(duì)待理的金屬零件施加機(jī)械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力的同時(shí)采用能使彈丸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的超聲波發(fā)生器，有助于在金屬零件中產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，可獲得幾百微米(或更大)厚度的納米結(jié)構(gòu)表層。
6.由于本發(fā)明采用了振動(dòng)發(fā)生裝置，解決了彈丸再循環(huán)的問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)處理方法的專用處理設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2A為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中外加應(yīng)力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2B為圖2中墊塊的俯視圖。
圖3A為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中外加牽拉式應(yīng)力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3B為圖3A中下平臺(tái)俯視圖。
圖4為本發(fā)明如圖2所示的實(shí)施例采用帶有外加應(yīng)力裝置通過(guò)使用超聲波形成納米結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5A和圖5B為本發(fā)明實(shí)施例中分別以550℃和350℃在一個(gè)處理的金屬零件上進(jìn)行離子滲氮所顯示的氮的滲透率曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
在金屬零件的表面區(qū)域上進(jìn)行表面處理，以取得納米結(jié)構(gòu)表層，具體步驟為1)在確定的持續(xù)時(shí)間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點(diǎn)、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長(zhǎng)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(jìn)行一種噴射處理；2)移動(dòng)撞擊點(diǎn)位置、重復(fù)步驟1)，使撞擊點(diǎn)覆蓋金屬零件的全部待處理表面；3)當(dāng)實(shí)施所述步驟1)、2)的同時(shí)，在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理；所述物理化學(xué)處理通過(guò)滲氮實(shí)現(xiàn)，這種滲氮使待處理的零件在氮?dú)夥障乱?50℃至550℃之間確定的溫度和在30分鐘至10小時(shí)之間的確定持續(xù)時(shí)間里進(jìn)行，通過(guò)化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散形成新的化合物；所述物理化學(xué)處理為在金屬零件的表面結(jié)構(gòu)中進(jìn)行一種滲碳、催化、離子儲(chǔ)存；所述表面噴射處理采用空氣壓縮機(jī)或渦輪，提供使彈丸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，使彈丸按隨機(jī)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；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(jī)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；在所述表面噴射處理中對(duì)待處理的金屬零件施加機(jī)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；在所述表面噴射處理中對(duì)待處理的進(jìn)行加熱，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長(zhǎng)大的溫度以下；所述表面噴射處理是對(duì)金屬零件待處理區(qū)域進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)，所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為5～20米/秒；對(duì)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(shí)間在30至1300秒之間；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，彈丸的數(shù)量占據(jù)容器底部表面的10％到100％之間變化；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，彈丸的數(shù)量占據(jù)容器底部表面的25～35％；其專用處理設(shè)備在一個(gè)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(gè)壁面，在容器20中彈丸22由循環(huán)噴射裝置50驅(qū)動(dòng)、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(duì)金屬零件10表面、在一個(gè)相同撞擊面上以多個(gè)入射角進(jìn)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；在一個(gè)密封的隔音腔體25中還設(shè)有化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置26；所述在金屬零件10的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置26，通過(guò)容器20處設(shè)有的流體循環(huán)通道28或者氣相反應(yīng)通道27與容器20相連；在金屬零件10的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置26采用能對(duì)金屬零件10的表面在氮?dú)夥障逻M(jìn)行化學(xué)處理的裝置，其溫度控制在350℃至550℃之間，持續(xù)時(shí)間為30分鐘至10小時(shí)之間，通過(guò)擴(kuò)散可形成化合物；在金屬零件10的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置26采用能對(duì)待處理零件10實(shí)現(xiàn)滲碳、催化和離子存儲(chǔ)的裝置；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(guò)撓性件54與空氣壓縮機(jī)或渦輪55連接，空氣壓縮機(jī)構(gòu)或渦輪55提供一個(gè)動(dòng)力，使彈丸22經(jīng)過(guò)撓性件54、通過(guò)噴口51實(shí)現(xiàn)噴射；空氣壓縮機(jī)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(shí)、在A、B入射角范圍內(nèi)噴口51實(shí)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(gè)方向或垂直于C、D的G方向上進(jìn)行平移的活動(dòng)組件53上；使彈丸22進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(duì)金屬零件10待處理區(qū)域施加外加機(jī)械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力裝置，安裝在金屬零件10上；還包括對(duì)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(duì)金屬零件10的待處理區(qū)域進(jìn)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(jī)或渦輪55，其持續(xù)時(shí)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(shí)間、頻率和振幅可調(diào)；還包括可調(diào)整待處理金屬零件10表面與噴口或其相對(duì)壁板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；所述待處理金屬零件10表面與容器20內(nèi)對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)，所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為5～20米/秒；對(duì)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(shí)間在30至1300秒之間；當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置50的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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(gè)隔音腔體25中；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和化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置26封閉在一個(gè)隔音腔體25中。
實(shí)施例1本發(fā)明方法是在金屬零件上進(jìn)行表面處理，獲得納米結(jié)構(gòu)表層，具體步驟為1)在確定的持續(xù)時(shí)間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點(diǎn)、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長(zhǎng)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(jìn)行一種噴射處理；2)移動(dòng)撞擊點(diǎn)位置、重復(fù)步驟1)，使撞擊點(diǎn)覆蓋金屬零件的全部待處理表面；3)當(dāng)實(shí)施所述步驟1)、2)的同時(shí)，在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理。
其專用處理設(shè)備為如圖1所示，在一個(gè)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(gè)壁面，在容器20中彈丸22由循環(huán)噴射裝置50驅(qū)動(dòng)、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(duì)金屬零件10表面、在一個(gè)相同撞擊面上以多個(gè)入射角進(jìn)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(shí)施例容器20為杯狀物；在一個(gè)密封的腔體中還設(shè)有化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置，它可在金屬零件10上取得確定的物理化學(xué)性能。
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(guò)撓性件54與空氣壓縮機(jī)構(gòu)或渦輪55連接，空氣壓縮機(jī)構(gòu)或渦輪55提供一個(gè)動(dòng)力，使彈丸22經(jīng)過(guò)撓性件54、通過(guò)噴口51實(shí)現(xiàn)噴射；空氣壓縮機(jī)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(shí)，在A、B入射角范圍內(nèi)噴口51實(shí)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(shí)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(gè)方向及垂直于C、D的G方向上進(jìn)行平移的活動(dòng)組件53上；為了覆蓋整個(gè)表面，它可按照一個(gè)曲折的軌跡同金屬零件10的表面進(jìn)行面對(duì)面的移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中它進(jìn)一步改變了彈丸22相對(duì)于待處理金屬零件10表面的噴射入射角，實(shí)現(xiàn)在同一撞擊點(diǎn)、以可變?nèi)肷浣堑膰娚?，以便使金屬零?0在隨機(jī)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)；本發(fā)明使金屬零件10保持原位置，通過(guò)固定部件21實(shí)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22，容器20內(nèi)還裝有彈丸22的快速回收、開(kāi)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(gè)區(qū)域中的出口200可通過(guò)一個(gè)撓性件54把彈丸22引向噴口51。
本發(fā)明通過(guò)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)；噴口51在A和B角度方向可以繞軸旋轉(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(yùn)動(dòng)過(guò)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(gè)點(diǎn)，每次撞擊都會(huì)在金屬或合金的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，并形成一個(gè)隨機(jī)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。
根據(jù)本發(fā)明，形成納米結(jié)構(gòu)的工藝可以通過(guò)兩種方法來(lái)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，例如，選擇滾動(dòng)軸承的鋼珠。根據(jù)彈丸的質(zhì)量，通過(guò)一臺(tái)拋射彈丸的快速循環(huán)噴射裝置50來(lái)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(shí)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(jìn)行各個(gè)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)明方法的專用處理設(shè)備要不斷地改變噴射入射角以達(dá)到取得隨機(jī)入射角處理的作用，采用循環(huán)噴射裝置50從一個(gè)固定點(diǎn)開(kāi)始、沿各種噴射方向掃掠過(guò)整個(gè)金屬零件10表面，本實(shí)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(kāi)始，噴口51在A和B角度范圍內(nèi)實(shí)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(dòng)，以實(shí)現(xiàn)可變?nèi)肷浣切问脚c金屬零件10的表面反復(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(shí)際上，傳統(tǒng)的噴丸處理方法借助于噴槍來(lái)噴射彈丸，在處理時(shí)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損傷。此外，彈丸的噴射方向恒定不變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)了彈丸22的自動(dòng)回收和立即重新使用。
實(shí)施結(jié)果表明本發(fā)明在無(wú)外加應(yīng)力的狀態(tài)下對(duì)金屬零件10進(jìn)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(duì)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(duì)噴口51間的距離為4～40mm；所述彈丸22的直徑在3至10毫米的范圍內(nèi)選擇；當(dāng)通過(guò)循環(huán)噴射的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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(shí)間30～1300秒之間；彈丸速度為5～100米/秒。
彈丸22尺寸不同所需的持續(xù)時(shí)間不相同，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)，才達(dá)到飽和的持續(xù)時(shí)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(guò)經(jīng)驗(yàn)，或是通過(guò)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(shí)間大于納米結(jié)構(gòu)表層厚度確定值所對(duì)應(yīng)的飽和持續(xù)時(shí)間時(shí)，納米結(jié)構(gòu)表層的厚度就會(huì)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(shuō)從某一個(gè)界線開(kāi)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(dòng)能越大，在材料深層產(chǎn)生應(yīng)力水平就越高。通過(guò)在金屬零件10表面上的撞擊時(shí)釋放的動(dòng)能和彈丸22與金屬零件10的撞擊產(chǎn)生發(fā)熱而引起機(jī)械強(qiáng)度的變化可定義出動(dòng)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(shí)間，本發(fā)明可優(yōu)化其它的參數(shù)。例如通過(guò)彈丸22將動(dòng)能傳送到金屬零件10的表面而實(shí)現(xiàn)表面處理時(shí)，彈丸22的硬度起重要作用。另外，本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)為，噴口51可固定，但金屬零件10可轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是通過(guò)隨機(jī)和不同方向上的撞擊實(shí)現(xiàn)在一個(gè)點(diǎn)上的處理；本實(shí)施例所述金屬零件10也可安裝在容器20的一個(gè)壁面上。
在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理本實(shí)施例采用一個(gè)(或多個(gè))化學(xué)或化學(xué)熱處理的擴(kuò)散或氣相處理(PVD，CVD)設(shè)備26，在金屬零件表面形成納米結(jié)構(gòu)時(shí)或形成納米結(jié)構(gòu)后進(jìn)行物理化學(xué)處理；本實(shí)施例在容器20處設(shè)有流體循環(huán)通道28，或者氣相反應(yīng)通道27，所述通道與化學(xué)或化學(xué)熱處理的擴(kuò)散或氣相處理(PVD，CVD)設(shè)備26相連。
本發(fā)明通過(guò)彈丸22運(yùn)動(dòng)形成納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程可在一種能形成目標(biāo)化合物的氣體介質(zhì)中進(jìn)行，這種氣體能在彈丸撞擊時(shí)改變材料的機(jī)械性能或表面的化學(xué)成分。如圖1所示，擴(kuò)散或霧化裝置26(用點(diǎn)畫線標(biāo)明)位于隔音腔體25中，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件10表面進(jìn)行一種在氮?dú)庀碌幕瘜W(xué)熱處理。擴(kuò)散或霧化裝置26通過(guò)氣相反應(yīng)通道27作為循環(huán)通道。因此，根據(jù)待處理金屬零件10的物理化學(xué)特征，為了避免氧化，前期可在惰性氣氛中處理金屬零件10，后期由擴(kuò)散選擇性地形成化合物，可使金屬零件10取得令人感興趣的機(jī)械、物理或化學(xué)特性。在處理過(guò)程中，由于晶粒間界面倍增，在金屬零件10的處理表面上形成的納米結(jié)構(gòu)可引起擴(kuò)散速率的改變。這些界面構(gòu)成了更多的納米通道，使有幾個(gè)原子尺度量級(jí)的化合物得以擴(kuò)散。這是化合物的一種最好的滲透。
因此，當(dāng)金屬零件10按本發(fā)明事先形成納米結(jié)構(gòu)或在采用形成納米結(jié)構(gòu)方法的同時(shí)，可采用化學(xué)熱處理在金屬零件10的表面通過(guò)擴(kuò)散形成新的化合物。
作為例子，圖5A和圖5B示出離子滲氮溫度分別為550℃和350℃的滲氮率分布曲線。金屬零件10經(jīng)過(guò)550℃、兩小時(shí)的滲氮處理后，在處理表面存在納米結(jié)構(gòu)的厚度內(nèi)，曲線顯示出實(shí)測(cè)的滲氮率，根據(jù)本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，處理的曲線完全符合對(duì)一個(gè)預(yù)處理表面實(shí)施的測(cè)量，如圖5A所示。表面形成納米結(jié)構(gòu)的處理已有可能在大約20μm的厚度上取得納米結(jié)構(gòu)；其混合處理后測(cè)得的曲線與一個(gè)未形成納米結(jié)構(gòu)處理表面實(shí)施的測(cè)量方法相同。由曲線可以看出，按照現(xiàn)有工藝技術(shù)，經(jīng)過(guò)550℃滲氮處理后，氮的滲透率在金屬零件10的厚度方向上是一致的，并等于5％；而采用本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)的待處理金屬零件10，在相同條件下，已形成納米結(jié)構(gòu)的厚度上滲氮率高于未處理金屬零件的5倍。之后，在金屬零件不含有納米結(jié)構(gòu)的厚度范圍內(nèi)，滲氮率快速下降到現(xiàn)有技術(shù)滲氮方法取得的水平。對(duì)于疲勞、小行程疲勞(微振磨損)和接觸疲勞來(lái)說(shuō)，這種處理有可能取得更有利的材料微結(jié)構(gòu)。
金屬零件10在350℃滲氮兩個(gè)小時(shí)后，處理表面沿厚度方向測(cè)量的滲氮率變化曲線分別代表有、無(wú)納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果，如圖5B所示?？梢钥闯觯景l(fā)明表面形成納米結(jié)構(gòu)的處理已有可能在20μm的厚度上取得納米結(jié)構(gòu)；按照現(xiàn)有技術(shù)工藝，氮的滲透率在金屬零件10的厚度上是一致的，并等于1％。這種滲透率很低，應(yīng)進(jìn)行改變以滿足金屬零件表面的機(jī)械特性要求。對(duì)于按本發(fā)明進(jìn)行形成納米結(jié)構(gòu)預(yù)處理的金屬零件10，滲氮率要高于未進(jìn)行表面處理的金屬零件的17倍。之后，滲氮率在金屬零件10含有納米結(jié)構(gòu)的厚度方向上逐漸下降，在金屬零件不再包含納米結(jié)構(gòu)的深度上，滲氮率等于現(xiàn)有技術(shù)滲氮工藝方法取得的值。
值得注意的是，采用現(xiàn)有技術(shù)的滲氮工藝方法，反應(yīng)只是從某個(gè)溫度(例如接近550℃)才開(kāi)始在一個(gè)純鐵零件上進(jìn)行的。由此可見(jiàn)，金屬零件10的預(yù)處理不僅有可能在表面上取得一個(gè)好的結(jié)構(gòu)，而且還有可能降低處理溫度。在350℃的情況下，采用本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)的金屬零件10的滲氮率高于未經(jīng)處理的金屬零件在550℃下的滲氮率。
本發(fā)明使采用低處理溫度在金屬零件10上實(shí)施滲氮成為可能，這按照現(xiàn)有工藝技術(shù)是不可能的。以前滲氮應(yīng)在大約550℃時(shí)進(jìn)行，在這個(gè)溫度對(duì)金屬零件進(jìn)行處理可能引起材料的變形。而對(duì)金屬零件來(lái)說(shuō)精密的幾何形狀是極其重要的，如此的變形常常是不允許的，因此難以按以前的工藝方法進(jìn)行滲氮。采用按發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)處理方法進(jìn)行納米化預(yù)處理后再進(jìn)行滲氮，使降低處理溫度、減小或消除零件的變形成為可能，從而使得精密零件能夠進(jìn)行滲氮，這按以前的工藝是絕對(duì)做不到的。
另外，按本發(fā)明形成納米結(jié)構(gòu)處理方法進(jìn)行預(yù)處理也有可能減少處理的持續(xù)時(shí)間。實(shí)際上，納米結(jié)構(gòu)和(特別是)納米擴(kuò)散通道的存在允許在零件的淺表層中的化合物擴(kuò)散得更快。
本發(fā)明所述對(duì)材料可以實(shí)現(xiàn)的滲氮方法可以擴(kuò)展到所有使用材料擴(kuò)散性能的表面化學(xué)處理、表面物理化學(xué)處理及表面工程技術(shù)。因此，當(dāng)金屬零件按本發(fā)明預(yù)先形成納米結(jié)構(gòu)時(shí)，即當(dāng)零件在十幾至幾百微米的厚度上含有一層納米結(jié)構(gòu)時(shí)，金屬材料中的滲碳法和碳氮共滲法等表面處理及催化過(guò)程或離子儲(chǔ)存等動(dòng)力學(xué)過(guò)程都會(huì)有很大程度的改變。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于當(dāng)希望取得從幾十到幾百個(gè)微米厚度的納米結(jié)構(gòu)表層時(shí)，本實(shí)施例待處理金屬零件10的表面處理是在外加機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)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(gè)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(hù)墊塊21.3上，穿過(guò)底板21.2和墊塊213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(gè)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(shí)取得所述壓力。然后將所述具有機(jī)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(gè)壁面。
本發(fā)明沒(méi)有限定實(shí)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(gè)或多個(gè)地方同時(shí)采用。因此，可以考慮用多個(gè)桿21.4在多個(gè)地方施加不同的應(yīng)力來(lái)取得不同厚度的納米結(jié)構(gòu)，以獲得與各個(gè)點(diǎn)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(shí)施方案，在金屬零件10各個(gè)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(gè)上部平臺(tái)31、一個(gè)下部平臺(tái)32和三個(gè)分別隔開(kāi)120°的用于調(diào)整距離的螺桿螺栓33構(gòu)成，通過(guò)牽拉使金屬零件10的端部與每個(gè)平臺(tái)相連接。例如，金屬零件10由入口穿過(guò)每個(gè)平臺(tái)，并在入口處與每個(gè)平臺(tái)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(tái)配有允許彈丸22循環(huán)和噴射的入丸口321；本實(shí)施例在用螺釘緊固金屬零件10時(shí)，可在金屬零件10上獲得一牽拉式外加應(yīng)力。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于當(dāng)希望取得從幾十到幾百個(gè)微米厚度的納米結(jié)構(gòu)表層時(shí)，本實(shí)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(jìn)行，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長(zhǎng)大的溫度以下。在待處理的金屬零件10的上下表面以不同的溫度T1、T2進(jìn)行加熱處理，經(jīng)過(guò)這樣加熱后產(chǎn)生的溫差使材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)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中或在容器20外。
本發(fā)明結(jié)合外加應(yīng)力和加熱處理在表面取得理想的結(jié)果是可以達(dá)到的。為了有利于位于材料深層晶粒的碎化，本發(fā)明也可采用外加應(yīng)力和/(或)提高溫度的方法，使材料的深層在各個(gè)方向上都更容易產(chǎn)生塑性變形。
實(shí)施結(jié)果表明在無(wú)外加應(yīng)力的狀態(tài)下對(duì)金屬零件10進(jìn)行表面加工，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)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)下則可獲得幾百微米(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(xiàng)合適方案，有可能實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)表層厚度的增加。
實(shí)施例4與實(shí)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(jìn)行局部的冷卻裝置，安裝在容器20中或金屬零件10上；本實(shí)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(shí)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(shì)，則材料不易產(chǎn)生裂紋，所以溫度控制要適中。
實(shí)施例5與實(shí)施例1不同之處在于使彈丸22進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)的頻率、幅度和持續(xù)時(shí)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(jī)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，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(gè)隔音腔體25中通過(guò)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)力作用的應(yīng)力裝置結(jié)構(gòu)類型，在本實(shí)施例中，超聲波發(fā)生器50′采用的激振器(Sonotrode)表面上為容器20的下表面，容器20的上部入口被一個(gè)配有金屬零件10的固定部件21封閉；就容器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)射表面的容器20底部201之間距離d。
采用超聲波使彈丸運(yùn)動(dòng)的原理是，通過(guò)一個(gè)按確定的頻率工作的超聲波發(fā)生器50′使彈丸22進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，超聲波發(fā)生器50′把速度和振幅確定的運(yùn)動(dòng)傳送到容器20；激振器運(yùn)動(dòng)的振幅可在5到900微米之間選擇，本實(shí)施例為300微米；頻率在10～40KHz之間選擇，本實(shí)施例采用40KHz；所述表面噴射處理產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(huì)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(huì)重新掉落在容器20的壁板上，并在按照物理定律確定的隨機(jī)方向上獲得一個(gè)新的速度。其中容器20可以由其它形狀的容器來(lái)代替。
振動(dòng)發(fā)生裝置50為超聲波發(fā)生器50′時(shí)，超聲波發(fā)生器50′的振動(dòng)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(duì)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(shí)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(lái)確定。金屬零件10表面與容器20內(nèi)對(duì)面壁板之間的距離為4～5mm；當(dāng)通過(guò)超聲波進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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(shí)間，本發(fā)明可優(yōu)化其它的參數(shù)。例如當(dāng)采用一臺(tái)使彈丸22進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的超聲波發(fā)生器50′作為循環(huán)噴射裝置50時(shí)，通過(guò)聲波產(chǎn)生的聲壓也影響著形成納米結(jié)構(gòu)的過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(shí)，總的時(shí)間可以延長(zhǎng)，或根據(jù)材料特性及要求縮短。對(duì)于確定的彈丸22尺寸和確定的材料來(lái)說(shuō)，形成納米結(jié)構(gòu)的持續(xù)時(shí)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(duì)于對(duì)本發(fā)明所用工藝有興趣的人們來(lái)說(shuō)，本發(fā)明有多種其它形式的實(shí)施方式，正如本發(fā)明要求所述，這些都沒(méi)有脫離發(fā)明應(yīng)用的范圍。因此，所述實(shí)施方式只是展示幾個(gè)實(shí)例，它們可結(jié)合本發(fā)明的權(quán)利要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，發(fā)明不只限定在上面給出的細(xì)節(jié)上。
權(quán)利要求
1.一種形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于在金屬零件的表面區(qū)域上進(jìn)行表面處理，以取得納米結(jié)構(gòu)表層，具體步驟為1)在確定的持續(xù)時(shí)間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點(diǎn)、可變?nèi)肷浣呛拖薅〝?shù)量的并可長(zhǎng)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(jìn)行一種噴射處理；2)移動(dòng)撞擊點(diǎn)位置、重復(fù)步驟1)，使撞擊點(diǎn)覆蓋金屬零件的全部待處理表面；3)當(dāng)實(shí)施所述步驟1)、2)的同時(shí)，在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述物理化學(xué)處理通過(guò)滲氮實(shí)現(xiàn)，這種滲氮使待處理的零件在氮?dú)夥障乱?50℃至550℃之間確定的溫度和在30分鐘至10小時(shí)之間的確定持續(xù)時(shí)間里進(jìn)行，通過(guò)化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散形成新的化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述物理化學(xué)處理為在金屬零件的表面結(jié)構(gòu)中進(jìn)行一種滲碳、催化、離子儲(chǔ)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述表面噴射處理采用空氣壓縮機(jī)或渦輪，提供使彈丸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，使彈丸按隨機(jī)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，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(jī)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于在所述表面噴射處理中對(duì)待處理的金屬零件施加機(jī)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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于在所述表面噴射處理中對(duì)待處理的進(jìn)行加熱，其加熱溫度控制在使金屬零件或合金晶粒發(fā)生長(zhǎng)大的溫度以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述表面噴射處理是對(duì)金屬零件待處理區(qū)域進(jìn)行局部冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，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。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為3～100米/秒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，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(shí)，所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為5～20米/秒。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于對(duì)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(shí)間在30至1300秒之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述表面噴射處理產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，彈丸的數(shù)量占據(jù)容器底部表面的10％到100％之間變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法，其特征在于所述表面噴射處理產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，彈丸的數(shù)量占據(jù)容器底部表面的25～35％。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述形成納米結(jié)構(gòu)處理方法的專用處理設(shè)備，在一個(gè)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(gè)壁面，在容器(20)中彈丸(22)由循環(huán)噴射裝置(50)驅(qū)動(dòng)、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(duì)金屬零件(10)表面、在一個(gè)相同撞擊面上以多個(gè)入射角進(jìn)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；在一個(gè)密封的隔音腔體(25)中還設(shè)有化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置(26)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1 5所述專用處理設(shè)備，其特征在于所述在金屬零件(10)的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置(26)，通過(guò)容器20處設(shè)有的流體循環(huán)通道(28)或者氣相反應(yīng)通道(27)與容器(20)相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述專用處理設(shè)備，其特征在于在金屬零件(10)的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置(26)采用能對(duì)金屬零件(10)的表面在氮?dú)夥障逻M(jìn)行化學(xué)處理的裝置，其溫度控制在350℃至550℃之間，持續(xù)時(shí)間為30分鐘至10小時(shí)之間，通過(guò)擴(kuò)散可形成化合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述專用處理設(shè)備，其特征在于在金屬零件(10)的納米結(jié)構(gòu)表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理裝置(26)采用能對(duì)待處理零件(10)實(shí)現(xiàn)滲碳、催化和離子存儲(chǔ)的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述專用處理設(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(guò)撓性件(54)與空氣壓縮機(jī)或渦輪(55)連接，空氣壓縮機(jī)構(gòu)或渦輪(55)提供一個(gè)動(dòng)力，使彈丸(22)經(jīng)過(guò)撓性件(54)、通過(guò)噴口(51)實(shí)現(xiàn)噴射；空氣壓縮機(jī)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(shí)、在A、B入射角范圍內(nèi)噴口(51)實(shí)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(gè)方向或垂直于C、D的G方向上進(jìn)行平移的活動(dòng)組件(53)上。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述專用處理設(shè)備，其特征在于使彈丸(22)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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。
21.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于還包括對(duì)金屬零件(10)待處理區(qū)域施加外加機(jī)械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力裝置，安裝在金屬零件(10)上。
22.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于還包括對(duì)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。
23.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于還包括一對(duì)金屬零件(10)的待處理區(qū)域進(jìn)行局部冷卻的冷卻裝置，安裝在金屬零件(10)上或容器(20)中。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述專用處理設(shè)備，其特征在于所述循環(huán)噴射裝置(50)采用空氣壓縮機(jī)或渦輪(55)，其持續(xù)時(shí)間和速度可調(diào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述專用處理設(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(shí)間、頻率和振幅可調(diào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于還包括可調(diào)整待處理金屬零件(10)表面與噴口或其相對(duì)壁板(51)之間距離d的調(diào)整裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求19或26所述專用處理設(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。
28.根據(jù)權(quán)利要求20或26所述專用處理設(shè)備，其特征在于所述待處理金屬零件(10)表面與容器(20)內(nèi)對(duì)面壁板之間的距離d為4～5mm。
29.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(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。
30.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為3～100米/秒。
31.根據(jù)權(quán)利要求15或20所述專用處理設(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(shí)，所述彈丸運(yùn)動(dòng)速度為5～20米/秒。
32.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于對(duì)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(shí)間在30至1300秒之間。
33.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置(50)的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，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。
34.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(shè)備，其特征在于當(dāng)所述循環(huán)噴射裝置(50)的運(yùn)動(dòng)靜止時(shí)，所述彈丸(22)的數(shù)量占據(jù)容器(20)底部表面的25～35％。
35.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(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(gè)隔音腔體(25)中。
36.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述專用處理設(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)和化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置(26)封閉在一個(gè)隔音腔體(25)中。
全文摘要
一種形成納米結(jié)構(gòu)處理方法和專用處理設(shè)備,是在金屬零件上進(jìn)行表面處理,步驟:1)完全球狀彈丸在待處理金屬零件的全部表面上進(jìn)行噴射處理;2)移動(dòng)撞擊點(diǎn)位置、重復(fù)步驟1),使撞擊點(diǎn)覆蓋金屬零件全部待處理表面;3)所述步驟1)、2)同時(shí),在形成納米結(jié)構(gòu)的表層中進(jìn)行物理化學(xué)處理;設(shè)備包括完全球狀的彈丸等,金屬零件與固定部件相連,構(gòu)成容器一個(gè)壁面,在容器中彈丸由循環(huán)噴射裝置驅(qū)動(dòng)、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(duì)金屬零件表面、在一個(gè)相同撞擊面上以多個(gè)入射角進(jìn)行多次撞擊的裝置;在密封的隔音腔體中還設(shè)有化學(xué)或化學(xué)熱處理裝置。它能在材料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(hào)C23C8/02GK1336445SQ0112298
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)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(jiān) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所