[實用新型]一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強化處理設備

有效

• 申請號: 200820109136.6
• 申請日: 2008-07-10
• 公開（公告）號: CN201212054Y
• 公開（公告）日: 2009-03-25
• 發明（設計）人: 朱其芳;孫澤明;王福生;張東暉;李志輝;朱寶宏
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22F3/00
• 分類號: C22F3/00;C21D10/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 耿小強

技術領域

本發明涉及一種金屬材料的表面處理設備，特別涉及一種用于金屬材料表面處理的超聲波表面強化處理設備。

背景技術

金屬材料的表面納米化有各種各樣的方法。利用嚴重塑性變形方法可使金屬材料的微米晶粒細化形成超細晶或納米晶，這類方法包括等通道轉角擠壓、高壓扭轉(HPT)、表面機械研磨(SMAT)和高能球磨(HEBM)等。其中表面機械研磨和高能球磨屬于高應變率(ε?&>103/s)的塑性變形方法。

表面機械研磨(SMAT)是近幾年發展起來的一項新的表面納米化技術。研究結果表明，在SMAT中由于受彈丸的高速、多方位重復沖擊，材料表層的粗晶組織通過產生強烈的高應變率塑性變形而逐漸細化至納米量級(10—30nm)。大量的TEM觀察結果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位錯、界面(晶界)等晶體缺陷，從而使晶粒發生破碎，其破碎程度取決于應變和應變率的大小。隨著材料表層深度的減小，應變和應變率逐漸增加，從基體到表面可依次產生形變粗晶層、細化結構層和納米結構層(厚度為10—50μm)。

在形變粗晶層中，材料的粗晶組織通常可產生位錯、層錯、孿晶等缺陷，以此來協調塑性應變；在細化結構層中，應變和應變率有所增加，位錯(或孿晶)的數量增多，相互作用更加頻繁，因而可形成小尺寸的位錯胞或孿晶，同時其界面(晶界)的取向差也逐漸增大；而在納米結構層中，應變和應變率急劇增加，位錯胞尺寸或孿晶尺寸可進一步減小至納米量級，通過位錯湮滅和重組、亞晶界的演變或孿晶的重復交割可最終形成取向呈隨機分布的納米晶。

此外，材料在SMAT中的微觀組織演化還受到變形金屬層錯能和晶體結構等因素的影響。例如，bcc結構的高層錯能金屬Fe，由于其變形受位錯滑移的控制，隨著材料表層深度的減小，在各類變形層中可依次形成位錯墻和位錯纏結、亞晶及納米晶等一系列微觀組織。

而具有fcc結構的AISI?304不銹鋼，由于其低層錯能性質限制了不全位錯的交滑移，使得位錯只能在各自的滑移面上運動，因而在形變粗晶層中可形成{111}平面的位錯列、位錯網格和層錯；隨著應變和應變率的增加，機械孿生開動，在細化結構層中可形成多系孿晶交割，并在孿晶交割處誘發馬氏體相變。對于hcp結構的α-Ti、Co、Mg合金等材料，在形變粗晶層中以機械孿生變形為主，隨著應變和應變率的增加，才逐漸產生位錯滑移，同時伴有層錯。可見，SMAT中金屬材料變形的微觀機制是應變、應變率、晶體結構、層錯能等內外因素綜合作用的結果。

除發生大晶粒破碎外，TEM的觀察結果還表明，α-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出現了晶界結構完整，“潔凈”、無應變的等軸狀納米晶，研究人員認為這是發生了動態再結晶的結果。而對于動態再結晶機制，也有人持不同的看法。例如，Zhu等人認為是由于亞晶發生旋轉(旋轉再結晶)所致。動態再結晶的發生表明在SMAT中存在由高應變、高應變率塑性變形所導致的絕熱溫升，并且它對納米晶組織的演化也產生了作用。在探求SMAT中金屬材料的表面納米化機理時，這一問題不可忽視。

值得注意的是，由于在SMAT中彈丸對樣品表面施加的多方位重復載荷可促進晶體的多系滑移和多系孿生變形，從而大大提高了材料的納米化程度。

高能球磨(HEBM)技術是1970年代由Benjamin等人提出的。它以簡單、低成本和對材料的廣泛適用性等優點，在納米晶材料的研究與制備方面發揮了重要作用。在HEBM中，金屬粉末受研磨球、研磨罐的頻繁碰撞而產生變形、冷焊、斷裂等過程。原始粗晶在高應變率(ε?&>103/s)、多方向的重復載荷下可最終形成晶粒取向呈隨機分布的納米晶。

利用X射線衍射分析(XRD)測量晶粒尺寸的實驗結果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下變化：在球磨初期，晶粒細化速度較快，晶粒尺寸迅速減小到某一值；進一步球磨，晶粒細化速度明顯減慢，晶粒尺寸緩慢減小至某一穩態的晶粒尺寸；繼續球磨，晶粒尺寸幾乎不發生變化。通常，達到穩態后的晶粒尺寸在5—30nm范圍。

此外，在2007年等人將球磨形成的納米晶Fe粉放入異丙醇液體中進行超聲分散，隨后利用磁場和重力場的共同作用還從中采集到了更小尺寸的納米顆粒(2—4nm)。