[发明专利]金属材料表面纳微米化的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于金属材料表面纳微米化的方法与装置，属于金属材料表面纳微米化技术领域。

背景技术

由于纳米材料具有特殊性能，一直是科学研究的热点。实现金属材料表面纳微米化能有效的克服金属工件在高速、重载及腐蚀等恶劣服役条件下材料表面的失效，消除由于失效带来的灾难性后果。因此对金属材料表面纳微米化具有较大的社会意义和工程应用前景。目前，金属材料表面纳微米化的方法主要有：表面涂层或沉积、表面自身纳米晶化、混合法表面纳米晶化等。利用这些方法已分别在纯铁、低碳钢、铝合金和不锈钢等金属材料上制备出了不同厚度的表面层，并开展了表面纳微米化的基础理论和应用的研究。尽管如此，表面纳微米化仍处于起步阶段，许多问题有待深入研究。因此研究开发新的金属材料表面纳微米化的方法与装置将为金属材料表面改性开创新的途径。

CN101012493公开了一种《金属表面纳米化的方法》，该方法是将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。该方法通过移动圆柱体或被加工工件或试样实现持续反复加工，将纳米材料的优异性能很好的嫁接到普通金属材料上面。但是使用单个刚性圆柱体碾压速度和强度都较低，金属材料表面纳微米化程度较低。

发明内容

本发明针对现有金属材料表面纳米化技术存在的不足，提供一种微米化程度高、效果高、能够得到无孔隙纳微米化表层的金属材料表面纳微米化的方法，同时提供一种实现该方法的装置。

本发明的金属材料表面纳微米化的方法是：

在压力作用下使呈螺旋线状分布的钢球以旋转滚动方式对金属材料表面实施反复碾压，使金属材料表面的粗晶组织产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳微米量级。

实现上述金属材料表面纳微米化的方法的装置采用以下技术解决方案：

该金属材料表面纳微米化的装置由顶梁、液压活塞、上栋梁、变频调速电机、下栋梁、旋转盘和底座组成，底座的两侧安装有导柱，导柱的上端固定安装有顶梁，中部设有可沿导柱上下移动的上栋梁和下栋梁，顶梁上安装有螺旋移动机构，上栋梁的上端安装有液压活塞，变频调速电机安装在上栋梁上并与旋转盘连接，旋转盘上安装有呈螺旋线状分布的钢球，底座上设有试样台，试样台与底座之间安装有螺旋移动机构。

旋转盘采用上下双层结构，上下层之间的接触面上安装有呈螺旋线状分布的钢球，钢球露出下层底面。

旋转盘与变频调速电机的转轴之间以铰链活动连接。在工作过程中可以自动找平，保证旋转盘与试样保持平行。

使用时，将试样安装在试样台上，在顶梁上螺旋移动机构的带动下使旋转盘下移至合适位置，打开电源设定旋转速度，给液压活塞加压至旋转盘面与试样之间保持一定的载荷。通过试样台带动试样以一定的速度在纵向来回移动，对试样处理若干时间后形成纳微米晶层。

上述快速多重旋转碾压在金属表面纳微米化的机理是：以一定载荷在金属表面高速滚动的合金球对金属表面形成连续多重碾压，导致金属表面的粗晶内部产生大量位错，当位错密度达到一定极限值，将发生位错的湮灭和重组而形成位错胞，随着位错被不断吸收，位错壁进而转化为亚晶界，原始粗晶便被分割成亚微晶，同时引起取向差增加；重复上述过程，亚微晶被不断分割，使晶粒尺寸逐渐减小，最终形成纳微米组织。金属表面纳微米后，其表面硬度、强度等物理性能显著提高。

本发明采用呈螺旋线状分布的钢球以高速旋转滚动实现对金属表面的多重高能碾压，使金属材料表面的粗晶组织产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳微米量级，并且金属表面不会出现过高的温度，从而得到一定厚度的无污染、无孔隙纳微米化表层，效果好，纳微米化程度高。

附图说明

图1是本发明中金属材料表面纳微米化的装置的结构示意图。

图2是金属材料表面纳微米化的装置的旋转盘的结构示意图。

图3是旋转盘中钢球呈螺旋线状分布的示意图。

其中，1、把手，2、顶梁，3、丝杠，4、液压活塞，5、上栋梁，6、导柱，7、变频调速电机，8、下栋梁，9、旋转盘，10、试样，11、试样台，12、底座，13、上层，14、下层，15钢球。

具体实施方式

实施例：