[发明专利]形成纳米结构的机械方法和专用机械设备

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面加工技术，具体地说是一种在金属零件上形成纳米结构的机械方法和专用机械设备。

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：其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的机械方法和专用机械设备，它能利用完全球状的弹丸，以可变入射角的喷射方式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：在金属零件表面上形成纳米结构的机械方法，包括：在金属零件上进行表面加工处理，得到一个具有纳米结构的表层，具体为：

1)在适宜的封闭空间中放置大量的球状弹丸，弹丸在进行循环往复的振动中撞击封闭空间的各个壁板，壁板之一为(或固定有)待处理的金属零件；

2)所述弹丸在垂直于待处理金属零件表面的方向上、在所述封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，使金属零件形成纳米结构表层；

3)根据弹丸的物理特性确定循环运动的速度和振动的频率、振幅，使弹丸获得足以使金属零件产生纳米结构的动能。

专用机械设备：包括至少一个带有真空入口的封闭空间，完全球状的、置于封闭空间中的弹丸、振动发生装置、减振装置，其中：弹丸具有确定的尺寸和数量；振动发生装置通过支臂与封闭空间连接，把产生的振动传送到整个封闭空间；支臂又通过减震装置把振动发生装置安装在一个平台上，平台由一旋转装置驱动、按确定速度Ω旋转；通过这个设备，用一定数量的弹丸在一定的空间里振动就能够在金属零件上获得一层确定厚度的纳米结构。    

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：

1.本发明通过产生纳米结构的机械方法及其专用机械设备，可有效地降低金属零件表面上的晶粒尺寸，在整个金属零件上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，材料表面纳米结构的厚度范围为十几至几百微米。