[发明专利]形成纳米结构方法和专用设备

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术，具体地说是一种在金属零件上形成纳米结构方法和专用设备。

背景技术

通常小于100nm的典型超细晶颗粒至少在一维方向上显示出纳米晶体材料的特征。这些材料可用已知的方法制备，例如IGC(隋性气体冷凝)，SPD(强烈塑性变形)等，但这些材料通常有孔隙类缺陷多和易污染等缺点。

利用表面加工技术，金属零件表面的晶粒可以细化，并有可能达到纳米尺度。传统的金属表面加工方法，借助压缩空气将小尺寸的弹丸(例如金属的)以5至100米/秒的速度喷射在材料的表面上，与超声喷丸(弹丸速度在5至20米/秒之间)相比，传统喷丸方法优点在于弹丸有更大的喷射速度。传统喷丸方法不足之处在于：所使用的弹丸实际上是非圆形状(例如圆柱状)，是通过研磨得到的近似于圆形的金属块，这种丸不是完全球状的，因而是一种不合格的“弹丸”。当弹丸在表面上撞击时，缺损的球形会引起应力集中在局部造成损伤的积累，这种损伤积累可能在材料上产生裂纹，并且当喷丸处理的持续时间较长时，可能使材料的表面发生鳞片状剥落。其次弹丸不能立即重新使用，而是需要一个再循环设备实现弹丸的循环供给、喷射，整个过程若没有再循环设备，就必然需要大量的弹丸；对于零件上给定的表面，每次入射喷射都是单向的、角度固定的；另外，从已取得的结果来看，经过表面处理过的零件的表面不含有或很少有纳米结构。    

法国专利申请(申请号：2689431)或俄罗斯专利申请(申请号：1391135)，提供一种在预定的时间里利用超声波使金属零件产生强化的方法，它能在封闭的空间中通过超声波发生器的中间体实现弹丸的运动。根据法国专利证申请的方法，可通过调节弹丸的速度使金属零件取得确定的表面粗糙度和确定深度的硬化层。为了获得理想的处理效果，发射系统移动的速度应满足一个确定值，低于这个值材料的表面可实现冷作硬化，高于这个值进行处理则效果不均匀。这就是说，不论材料表面的哪个点都不能被重复喷射，只能喷射一次。上述专利申请中，可考虑的发射和移动速度只是每秒钟几十个厘米，其喷射幅度为100μm。因此，采用现有的加工方法，难以在材料上获得一定深度的纳米结构，例如从几到几十微米深度的纳米结构表层。

发明内容

为了弥补以前的不足，本发明的目的是提供一种形成纳米结构方法和专用设备，它能利用完全球状的弹丸，以可变入射角喷射方式能在材料的表面上形成一层与基体材料化学成分完全相同的、晶粒尺寸为几十纳米的显微组织，即一个纳米尺度的显微结构或纳米结构的表层，其厚度范围为十几至几百微米，这亦称之为表面纳米化(SNC)。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

在金属零件上进行表面处理，获得一定厚度的纳米结构表层，具体步骤为：

1)对待处理金属零件施加机械应力和/或热应力；其应力值为小于金属零件材料的屈服应力；

2)在确定的持续时间里，以确定的速度、确定的距离、相同撞击点、可变入射角和限定数量的并可长期重复使用的完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行一种喷射处理；

3)随着撞击点的移动，反复进行步骤2)，以便使撞击点覆盖金属零件的全部待处理表面。    

其专用设备：包括弹丸，所述弹丸为完全球状的，具有确定的尺寸、速度和数量；还包括容器、固定部件、循环喷射装置、回收装置，其中：待处理金属零件与固定部件相连，构成容器的一个壁面，在容器中弹丸由循环喷射装置驱动、以可变入射角与金属零件表面反复撞击接触，循环喷射装置为能使弹丸对金属零件表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；重新使用弹丸的回收装置安装在容器上。

本发明的原理是：对金属零件进行表面处理，通过各个方向上随机产生的塑性变形，有效地降低整个表面上的晶粒尺寸，这种表面结构的变化一方面可以改变金属零件的机械性能，另一方面可以改善金属零件浅表层上的扩散性质。纳米微观结构或纳米结构的机械特性研究表明：金属的晶粒尺寸越小，其机械强度越大。因此，目前的研究以开发出可获得仅由纳米结构构成零件的制造方法为主。本发明则是通过产生纳米结构的方法在整个金属零件上形成一个具有纳米结构特征的表层，这个表层足以保证零件能获得力求达到的特性，例如希望的机械性能(疲劳、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。取得纳米结构是要减小金属零件表面的晶粒尺寸，例如，纯铁零件最初的晶粒尺寸为100μm，按照本发明进行处理后，零件表面的晶粒尺寸可降至只有几十纳米。

本发明具有如下优点：