[發明專利]形成納米結構方法和專用設備

無效

• 申請號: 01122979.9
• 申請日: 2001-07-27
• 公開（公告）號: CN1336444A
• 公開（公告）日: 2002-02-20
• 發明（設計）人: 盧柯;呂堅
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D7/06
• 分類號: C21D7/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利代理有限責任公司
• 代理人: 許宗富,周秀梅

技術領域

本發明涉及金屬表面處理技術，具體地說是一種在金屬零件上形成納米結構方法和專用設備。

背景技術

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，金屬零件表面的晶粒可以細化，并有可能達到納米尺度。傳統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，傳統噴丸方法優點在于彈丸有更大的噴射速度。傳統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”。當彈丸在表面上撞擊時，缺損的球形會引起應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生裂紋，并且當噴丸處理的持續時間較長時，可能使材料的表面發生鱗片狀剝落。其次彈丸不能立即重新使用，而是需要一個再循環設備實現彈丸的循環供給、噴射，整個過程若沒有再循環設備，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，從已取得的結果來看，經過表面處理過的零件的表面不含有或很少有納米結構。????

法國專利申請(申請號：2689431)或俄羅斯專利申請(申請號：1391135)，提供一種在預定的時間里利用超聲波使金屬零件產生強化的方法，它能在封閉的空間中通過超聲波發生器的中間體實現彈丸的運動。根據法國專利證申請的方法，可通過調節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，發射系統移動的速度應滿足一個確定值，低于這個值材料的表面可實現冷作硬化，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噴射，只能噴射一次。上述專利申請中，可考慮的發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，采用現有的加工方法，難以在材料上獲得一定深度的納米結構，例如從幾到幾十微米深度的納米結構表層。

發明內容

為了彌補以前的不足，本發明的目的是提供一種形成納米結構方法和專用設備，它能利用完全球狀的彈丸，以可變入射角噴射方式能在材料的表面上形成一層與基體材料化學成分完全相同的、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構或納米結構的表層，其厚度范圍為十幾至幾百微米，這亦稱之為表面納米化(SNC)。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

在金屬零件上進行表面處理，獲得一定厚度的納米結構表層，具體步驟為：

1)對待處理金屬零件施加機械應力和/或熱應力；其應力值為小于金屬零件材料的屈服應力；

2)在確定的持續時間里，以確定的速度、確定的距離、相同撞擊點、可變入射角和限定數量的并可長期重復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、速度和數量；還包括容器、固定部件、循環噴射裝置、回收裝置，其中：待處理金屬零件與固定部件相連，構成容器的一個壁面，在容器中彈丸由循環噴射裝置驅動、以可變入射角與金屬零件表面反復撞擊接觸，循環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，這種表面結構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。納米微觀結構或納米結構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，目前的研究以開發出可獲得僅由納米結構構成零件的制造方法為主。本發明則是通過產生納米結構的方法在整個金屬零件上形成一個具有納米結構特征的表層，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、應力下的耐蝕性)。取得納米結構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。

本發明具有如下優點：