金屬材料表面納微米化的方法與裝置的製作方法

2023-05-18 22:50:11

專利名稱：金屬材料表面納微米化的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於金屬材料表面納微米化的方法與裝置，屬於金屬材料表面納微米化 技術領域。
背景技術：
由於納米材料具有特殊性能， 一直是科學研究的熱點。實現金屬材料表面納微米化能有 效的克服金屬工件在高速、重載及腐蝕等惡劣服役條件下材料表面的失效，消除由於失效帶 來的災難性後果。因此對金屬材料表面納微米化具有較大的社會意義和工程應用前景。目前， 金屬材料表面納微米化的方法主要有表面塗層或沉積、表面自身納米晶化、混合法表面納 米晶化等。利用這些方法已分別在純鐵、低碳鋼、鋁合金和不鏽鋼等金屬材料上製備出了不 同厚度的表面層，並開展了表面納微米化的基礎理論和應用的研究。儘管如此，表面納微米 化仍處於起步階段，許多問題有待深入研究。因此研究開發新的金屬材料表面納微米化的方法 與裝置將為金屬材料表面改性開創新的途徑。
CN101012493公開了一種《金屬表面納米化的方法》，該方法是將剛性圓柱體垂直放置在 金屬材料上，並使該剛性圓柱體旋轉摩擦金屬材料表面，旋轉摩擦使金屬材料表面產生強烈 的塑性變形，導致晶粒細化，並最終實現金屬材料表面納米化。該方法通過移動圓柱體或被 加工工件或試樣實現持續反覆加工，將納米材料的優異性能很好的嫁接到普通金屬材料上面。 但是使用單個剛性圓柱體碾壓速度和強度都較低，金屬材料表面納微米化程度較低。

發明內容
本發明針對現有金屬材料表面納米化技術存在的不足，提供一種微米化程度高、效果高、 能夠得到無孔隙納微米化表層的金屬材料表面納微米化的方法，同時提供一種實現該方法的 裝置。
本發明的金屬材料表面納微米化的方法是
在壓力作用下使呈螺旋線狀分布的鋼球以旋轉滾動方式對金屬材料表面實施反覆碾壓， 使金屬材料表面的粗晶組織產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納微米量級。
實現上述金屬材料表面納微米化的方法的裝置採用以下技術解決方案-該金屬材料表面納微米化的裝置由頂梁、液壓活塞、上棟梁、變頻調速電機、下棟梁、 旋轉盤和底座組成，底座的兩側安裝有導柱，導柱的上端固定安裝有頂梁，中部設有可沿導 柱上下移動的上棟梁和下棟梁，頂梁上安裝有螺旋移動機構，上棟梁的上端安裝有液壓活塞， 變頻調速電機安裝在上棟梁上並與旋轉盤連接，旋轉盤上安裝有呈螺旋線狀分布的鋼球，底 座上設有試樣臺，試樣臺與底座之間安裝有螺旋移動機構。
旋轉盤採用上下雙層結構，上下層之間的接觸面上安裝有呈螺旋線狀分布的鋼球，鋼球 露出下層底面。
旋轉盤與變頻調速電機的轉軸之間以鉸鏈活動連接。在工作過程中可以自動找平，保證 旋轉盤與試樣保持平行。
使用時，將試樣安裝在試樣臺上，在頂梁上螺旋移動機構的帶動下使旋轉盤下移至合適 位置，打開電源設定旋轉速度，給液壓活塞加壓至旋轉盤面與試樣之間保持一定的載荷。通
3過試樣臺帶動試樣以一定的速度在縱向來回移動，對試樣處理若干時間後形成納微米晶層。
上述快速多重旋轉碾壓在金屬表面納微米化的機理是以一定載荷在金屬表面高速滾動 的合金球對金屬表面形成連續多重碾壓，導致金屬表面的粗晶內部產生大量位錯，當位錯密 度達到一定極限值，將發生位錯的湮滅和重組而形成位錯胞，隨著位錯被不斷吸收，位錯壁 進而轉化為亞晶界，原始粗晶便被分割成亞微晶，同時引起取向差增加；重複上述過程，亞 微晶被不斷分割，使晶粒尺寸逐漸減小，最終形成納微米組織。金屬表面納微米後，其表面 硬度、強度等物理性能顯著提高。
本發明採用呈螺旋線狀分布的鋼球以高速旋轉滾動實現對金屬表面的多重高能碾壓，使 金屬材料表面的粗晶組織產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納微米量級，並且金屬表面不會 出現過高的溫度，從而得到一定厚度的無汙染、無孔隙納微米化表層，效果好，納微米化程 度高。


圖l是本發明中金屬材料表面納微米化的裝置的結構示意圖。 圖2是金屬材料表面納微米化的裝置的旋轉盤的結構示意圖。 圖3是旋轉盤中鋼球呈螺旋線狀分布的示意圖。
其中，1、把手，2、頂梁，3、絲槓，4、液壓活塞，5、上棟梁，6、導柱，7、變頻 調速電機，8、下棟梁，9、旋轉盤，10、試樣，11、試樣臺，12、底座，13、上層，14、 下層，15鋼球。
具體實施例方式
實施例-
如圖1所示，本發明的金屬材料表面納微米化的裝置主要由頂梁2、液壓活塞4、上棟 梁5、變頻調速電機7、下棟梁8、旋轉盤9、試樣臺11和底座12組成。底座12的兩側安裝 有導柱6，導柱6的上端固定安裝有頂梁2，中部設有可沿導柱6上下移動的上棟梁5和下棟 梁8。頂梁2上通過螺母安裝有絲槓3，形成螺旋移動機構，絲槓3的上端安裝有把手1，下 端與安裝在上棟梁5上部的液壓活塞3連接。變頻調速電機7安裝在上棟梁5上並與旋轉盤 9連接，帶動旋轉盤9轉動。旋轉盤9的底面上呈螺旋線狀安裝有一組合金鋼球。底座12上 設有試樣臺ll，試樣臺9與底座10之間也設有絲槓螺母副螺旋移動機構(圖中未畫出)，試 樣臺IO在螺旋移動機構的帶動下移動，從而使其上的試樣10以一定的速度在縱向來回移動。
如圖2所示，旋轉盤9採用上下雙層結構，上層13和下層14通過螺紋連接，其接觸面 上安裝有呈螺旋線狀分布合金鋼球15 (如圖3所示)，保證合金鋼球在旋轉盤9中靈活轉動， 又不會因為高速旋轉而被甩出。旋轉盤9與變頻調速電機7的轉軸之間以鉸鏈活動連接，在 工作過程中可以自動找平，保證旋轉盤9與試樣10保持平行。
將試樣10安裝在試樣臺11上，向下旋轉絲槓3，通過液壓活塞4、上棟梁5、變頻調速 電機7使旋轉盤9下移至合適位置。打開電源並設定變頻調速電機7的旋轉速度，給液壓活 塞4加壓至旋轉盤9的底面與試樣10之間保持一定的載荷。變頻調速電機7帶動旋轉盤9轉 動，旋轉盤9底面上的以螺旋線規律鑲嵌的合金鋼球高速滾動，實現對試樣10金屬材料表面 的多重碾壓。轉動試樣臺11上螺旋移動機構的絲槓使試樣10以一定的速度在縱向來回移動， 對試樣10處理若干時間後形成一定厚度的納微米晶層。
權利要求
1.一種金屬材料表面納微米化的方法，其特徵是在壓力作用下使呈螺旋線狀分布的鋼球以旋轉滾動方式對金屬材料表面實施反覆碾壓，使金屬材料表面的粗晶組織產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納微米量級。
2. —種金屬材料表面納微米化的裝置，由頂梁、液壓活塞、上棟梁、變頻調速電機、下棟梁、 旋轉盤和底座組成；其特徵是底座的兩側安裝有導柱，導柱的上端固定安裝有頂梁，中部 設有可沿導柱上下移動的上棟梁和下棟梁，頂梁上安裝有螺旋移動機構，上棟梁的上端安裝 有液壓活塞，變頻調速電機安裝在上棟梁上並與旋轉盤連接，旋轉盤上安裝有呈螺旋線狀分 布的鋼球，底座上設有試樣臺，試樣臺與底座之間安裝有螺旋移動機構。
3. 根據權利要求2所述的金屬材料表面納微米化的裝置，其特徵是所述旋轉盤採用上下雙 層結構，上下層之間的接觸面上安裝有呈螺旋線狀分布的鋼球，鋼球露出下層底面。
4. 根據權利要求2所述的金屬材料表面納微米化的裝置，其特徵是所述旋轉盤與變頻調速電 機的轉軸之間以鉸鏈活動連接。
全文摘要
本發明公開了一種金屬材料表面納微米化的方法與裝置。金屬材料表面納微米化的方法是利用按螺旋線狀分布的鋼球，在壓力作用下對金屬材料表面實施反覆旋轉碾壓，使金屬材料表面的粗晶組織產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納微米量級。金屬材料表面納微米化的裝置由頂梁、液壓活塞、上棟梁、變頻調速電機、下棟梁、旋轉盤和底座組成，底座的兩側安裝有導柱，導柱上安裝有頂梁、上棟梁和下棟梁，頂梁上安裝有螺旋移動機構，上棟梁的上端安裝有液壓活塞，變頻調速電機安裝在上棟梁上並與旋轉盤連接，旋轉盤上安裝有呈螺旋線狀分布的鋼球，底座上設有試樣臺。本發明利用快速多重旋轉碾壓誘導金屬材料表面納微米化，效果好，納微米化程度高。
文檔編號C21D7/04GK101555543SQ200910015609
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月21日 優先權日2009年5月21日
發明者昌 孫, 孫康寧, 炊鵬飛, 楠 王, 王曉欣 申請人:山東大學