CN102586557B - 击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有表面纳米化技术存在的诸如加工面积小、过程时间长、设备结构复杂等问题，提出了一种新的表面自身纳米化方法及其设备装置，该技术采用简单的动力装置，为数量众多的硬质小金属圆球提供足够的动能，使圆球以一定速度连续不断地撞击被加工样品表面，使样品表面一定深度区域材料发生剧烈塑性变形，这些金属圆球对样品的撞击体现出一定的均匀集束覆盖性，从而保证材料表面剧烈塑性变形普遍而联系的产生，实现了材料表面纳米化改性，获得晶粒尺寸梯度分布的特殊微观组织，提高了自身性能。同时在最大程度上减少、减轻技术实施设备的投资成本和复杂程度，扩大其使用环境范围和促进工业化应用进程。

Description

击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，特别是一种实现材料表面纳米化的装置，主要应用于各种金属及合金材料等，以实现这些材料表面一定厚度范围内的剧烈塑性变形，从而控制和优化其组织结构，形成纳米尺度表层，提高其性能。

背景技术

随着20世纪末纳米技术的产生和发展，结构尺度为1～100nm的纳米晶体材料越来越受到人们的关注，其特殊致密的结构和表现出的优异性能，使人们在探索高性能材料的道路上看到了希望。在金属材料学领域里，材料表面的结构和性能对其本身而言非常重要，一般材料的失稳都是从表面开始的，因此，表面强化机制是优化金属材料整体性能、延长工件使用寿命的有效途径。1999年，卢柯等人（ Lu K，Lu J. Surface nanocrystallization of metallic materials presentation of the concept behind a new approach [J]．Journal of Material Science ＆Technology．1999，15(3)：193—197．）将纳米结构思想与金属材料结合起来，提出表面纳米化（Surface Nanocrystallization, SNC）的概念，即通过一定的物理学或化学方法，在金属材料表面制备一层具有纳米晶体结构的表层。在纯铁、低碳钢、45钢、奥氏体不锈钢、纯钛等金属材料表面的实验分析证明，材料经过这种处理后，其整体各项性能，如硬度、耐磨性、抗腐蚀性等，均得到显著的提高，同时表面表面纳米层材料韧性并不是完全丧失，而是在合理的范围内变动，不仅如此，这种经过表面纳米化的材料，其芯部仍然保持高韧性，这种外强内韧的梯度特性，在工程应用中是有利的。因此表面纳米化作为纳米技术在金属材料领域里的创新实践，是近几年科学家们研究的热点。

目前，根据作用对象分类，材料表面纳米化有三种基本方式（刘刚，雍兴平，卢柯．金属材料表面纳米化的研究现状[J]．中国表面工程，2001，52(3)：l一5．）:表面涂层或沉积方式、表面自身纳米化方式和混合方式。表面涂层或沉积是将制成的纳米尺度的颗粒固结在材料表面形成纳米结构表层，这种方式制得的纳米层与原基体材料间有明显的界面，结合机制不完善，纳米表层如果剥落，其抗腐蚀性能甚至在原来的基础上大大降低。表面自身纳米化是采用非平衡处理大方法增加材料表面的自由能，使材料表层自身实现纳米化，且纳米层与基体不存在界面，结构组织在厚度方向上由外向内呈梯度变化，这使得纳米层基本不会剥离，处理前后构件外形尺寸基本不变。可以看出，表面自身纳米化方法是表面纳米化的优先选择方式。

表面自身纳米化的方法很多，主要采用的是表面机械加工处理的方法，在外加载荷反复作用下材料表面产生强烈塑性变形促使晶粒细化至纳米量级，包括超声机械振动技术、超声喷丸技术、机械研磨、表面轧制、激光喷丸等。

表面机械研磨法（Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT）是应用较早的技术之一，利用此种方法已经在一些工程材料上制备出纳米结构表层，如纯铁、纯铜、纯钛、低碳钢、316L不锈钢等，并对组织及性能进行了深入的研究。SMAT设备原理如图1所示，在容器内放置大量的球形钢体弹丸，将试验样品固定于容器上部，内部充满惰性保护气体，下部联接振动发生装置。工作时，弹丸在下部的作用下高速振动，以随机方向与样品表面发生碰撞，在经过表面晶粒滑移系开动、位错产生与增殖等一系列组织变化过程后，大量弹丸的撞击，使基体表面产生了剧烈塑性变形，从而实现表面组织细化至纳米量级。

超音速微粒轰击技术（巴德玛，马世宁，李长青.超音速微粒轰击45钢表面纳米化的研究[J].材料科学与工艺，2007，15（3）:342—244.）（Supersonic Fine Particles Bombarding，SFPB）是一种利用气一固双相流作为载体，用超音速气流携带硬质固体微粒以极高的动能轰击金属表面，从而使金属表面发生强烈塑性变形，将晶粒组织细化到纳米量级的表面纳米化处理技术，并已经在45钢、38CrSi钢等材料表面制得纳米表层。

综观以上两种表面自身纳米化技术，虽然在一些金属工程材料上取得了一定应用效果，但还是各有不足之处。表面机械研磨法制备效率低，表面加工能力仅处于厘米量级，无法实现大面积复杂形状金属材料的表面处理，很大程度上限制了工业化的进一步应用。超音速微粒轰击技术设备复杂且价格昂贵，喷枪作为对气流和所携带微粒进行超音加速的装置核心部件，设计及选料要求十分严格，且存在速度不稳定情况，使得该技术设备距离工业化生产还有一定的距离。

发明内容

本发明的目的在于针对现有表面纳米化技术存在的诸如加工面积小、过程时间长、设备结构复杂等问题，提出了一种新的表面自身纳米化方法及其设备装置，该技术采用简单的动力装置，为数量众多的硬质小金属圆球提供足够的动能，使圆球以一定速度连续不断地撞击被加工样品表面，使样品表面一定深度区域材料发生剧烈塑性变形，这些金属圆球对样品的撞击体现出一定的均匀集束覆盖性，从而保证材料表面剧烈塑性变形普遍而联系的产生，实现了材料表面纳米化改性，获得晶粒尺寸梯度分布的特殊微观组织，提高了自身性能。同时在最大程度上减少、减轻技术实施设备的投资成本和复杂程度，扩大其使用环境范围和促进工业化应用进程。

本发明的原理为：做直线落体运动的金属圆球被平板横向击打，金属圆球与平板为对心碰撞，碰撞后的金属圆球沿板面法线方向飞出，产生高速平抛飞行运动的轰击载荷；与安置于飞行路径中的被加工材料表面发生剧烈碰撞；由于金属圆球数量密集度和飞行轨迹不确定因素，再加上金属圆球对样品撞击的均匀集束覆盖性特点，使被加工样品表面加大区域受到连续的不同方向上的猛烈撞击，产生剧烈塑性变形，进而在短时间内使得样品表面形成一定厚度的纳米结构层。

根据原理，实现本发明的技术问题所采用的技术方案是：一种表面自身纳米化装置，电动机依次连接联轴器和旋转击打装置，旋转击打装置包括外保护罩体、旋转叶片、击打板、旋转叶片固定套和旋转主轴，旋转叶片固定套与旋转主轴同心且与旋转主轴固定，旋转叶片连接旋转叶片固定套，击打板固定在旋转叶片上，外保护罩体为圆形，由上保护罩体和下保护罩体连接组成，外保护罩体中心开有通孔，通过通孔与旋转主轴固定连接，在上保护罩体顶部侧边开有弧长小于1/4圆的上罩体开口。

所述的旋转叶片固定套两侧设置有挡圈且通过连接键固定于旋转主轴上。

所述的旋转叶片通过旋转叶片固定销与旋转叶片固定套连接。

所述的旋转主轴两端有轴承支撑，顶部设置有固定挡板，在轴承外侧设置有轴承端盖与之固定，轴承端盖通过螺旋固定在外保护罩体上。

所述的击打板焊接在垫片上且一同通过螺栓固定在旋转叶片的顶端。

所述的外保护罩体设置有罩体筋板，并通过翻边与支架固定支撑。

所述的支架设置有支架横向筋板和支架纵向筋板。

所述的上保护罩体和下保护罩体通过螺纹连接，所述的下保护罩体底部开有下罩体开口。

所述的联轴器通过键与旋转主轴和电动机的传动轴连接。

所述的电动机固定在支架上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）结构简单，智能有效。本发明不含振动装置、高速喷嘴等复杂部件，仅由普通电动机和击打板系统组合而成，体现出设备构建简单实用的一大亮点，结合电机转速可控、叶片尺寸可调前提下，兼备精确的调节控制系统。金属圆球速度瞬间加载装置主体是两片同心轴高速旋转的硬质金属板组合，其主轴旋转的动力来源装置仅为一般功率电动机，外加金属外壳保护体罩。该种构造相比前述振动一体装置、高速喷嘴系统而言，配置简洁、结构明了，同时给之后的设备安装调试以及维修使用带来了很多方便之处。在运行过程中，可按实验体材质不同以及操作实施条件等情况，通过控制系统调节击打板转速、金属圆球落下数目和频率等相关数据，对金属圆球的能量和速度进行进一步的精确控制，保证不同环境下表面纳米化加工的顺利进行，体现设备的智能化和适应性。随着电机和系统的一体化、密集化设计，该装置自身占用和操作使用空间体积减少，必会体现出小型化、精密化、普遍化的优势。

（2）加工效率高。本方法设计思想围绕实现表面纳米化的宗旨，给实施体金属圆球一个更简便的加速平台并瞬间加速，轰击实验板材。由于从送球轨道落下的金属圆球一次可以达到很多个，并且输送连续不间断地进行，同时高速运转的金属板击打加速也是瞬间完成，所以被加速后的实施体金属圆球在单位时间内的数量可以达到很高，加之金属圆球被击打后运动存在不确定性，如此高的数量，板材被撞击的范围必然扩大，如此高的密度，表面剧烈塑性变形进程时间必然减少。相比以往自身表面纳米化方法，该系统方法单次作业面积大，耗费过程时间短，是工业化应用的有效保证。

（3）被加工工件范围宽。类似万能机床原理，通过装置和工件单一或彼此同时各方向移动的设计，本方法设备系统和工件之间可以构成空间立体表面加工处理平台；从工件形状角度来看，相比现有技术，本方法既可以加工平面板材，也可以对诸如圆弧状、复杂界面等工件进行表面处理，加工外形限制得到改善；从工件尺寸方面分析，由于本方法单次作业面积大，加之装置或者工件载台可相互移动，进而可形成连续的处理模式，从已处理部分向未处理部分移动，最终完全纳米化工件，保证工业进程。

附图说明

图1现有技术中表面机械研磨法设备简图。

图2是本发明击打加速金属圆球轰击表面纳米化技术原理示意图。

图3是本发明装置示意图旋转撞击系统。

图4是本发明装置示意图击打叶片部分。

图5是本发明装置支撑保护系统。

具体实施方式

如图2-5所示，击打板12焊接于垫片13上，击打板12和垫片13一体固定于旋转叶片11顶端，击打板12由于对球碰撞加速，势必选择强度高硬度好的优质材料制作而成，这在一定程度上提高了机件的经济成本，同时碰撞过程也会使击打板12表面出现凹坑、裂纹等应力损耗，造成击打板12失效，因此为维持装置的可持续性和低成本性，本设计将击打板12焊接于垫片13之上，并用螺栓14与旋转叶片11顶端固定，这样一方面可支持击打板12实现撞击保证又减少了构件用材，降低成本、节约资源；另一方面当击打板12失效时，可方便更换，实现加工的持续性和周期性。

为了对旋转叶片11进行固定，旋转叶片固定销[16]穿过旋转叶片11底部的通孔和旋转叶片固定套15的通孔将二者连接在一起，此时，旋转叶片11可做以旋转叶片固定销16为圆心的扇形圆周摆动，同时双叶片结构的采用，从整体而言是考虑到在转动过程中力的相互平衡问题，如果是单一叶片，由于离心力的作用，转动过程必然会导致主轴随叶片离心失去平衡，进而影响固定机构安全，双叶片设计正可以抵消离心力对中心主轴的影响。与金属圆球的碰撞过程会随着时间的推移对构件造成一定的应力损害，而本装置中，旋转叶片11可绕旋转叶片固定销16扇形圆周摆动的设计正是可以缓解这一冲击应力，可以在一定程度上延长使用寿命。

旋转叶片固定套15与双叶片搭配为上下对称结构，并与旋转主轴18同心，通过键22固定于旋转主轴18上，挡圈17对旋转叶片固定套15进行左右限制，旋转主轴18左右两端有轴承19配合支撑，在轴承19外侧有轴承端盖20进行保护和固定，轴承端盖20通过螺旋固定在外保护罩体上。绕定轴转动的刚体，受到外碰撞冲量作用时，轴承19与旋转主轴18之间将发生碰撞。理论力学中已研究出撞击中心这一现象，理论上可以避免轴承19处发生碰撞。当外碰撞冲量作用于物体质量对称平面内的撞击中心，且垂直于轴承19中心与质心线的连线时，在轴承19处不引起碰撞冲量。

旋转主轴18和电动机24的传动轴通过键22与联轴器21进行连接与传动，同时为了防止旋转主轴18向偏侧滑移，在旋转主轴18顶部设有固定挡板23，将旋转主轴18与联轴器21再次固定，最后，电动机24螺栓水平固定于支架1上。

为方便关键主体加速区域的便捷安装和检查维修，外保护罩体为上保护罩体5和下保护罩体4对接合并设计，中间利用翻边6与支架1四周固定支撑，上下保护罩体间通过螺纹7连接；外保护罩体中心有圆形通孔，尺寸与旋转主轴18以及轴承19配合，通过通孔与旋转主轴18固定连接，以便定位；为了方便金属圆球顺利落在击打板12上，在上保护罩体5上方外设有金属圆球输送轨道10；为了正常“落下—击打—飞行”过程路径通畅不受阻碍，在上保护罩体5顶部侧边开有弧长小于1/4圆的上罩体开口8；未被加速飞出整体系统的金属圆球存在会对机器构件造成一定危害和隐患，所以下保护罩体4底部开有下罩体开口9，金属圆球将在重力作用下自动漏出下保护罩体4，可以进一步回收利用。由于两个同心旋转叶片11的旋转，会使外保护罩体内产生一定的涡旋气流，不仅会影响金属圆球的正常飞行轨迹，还会对整体安全造成威胁，因此在外保护罩体两侧加工出一定数量的小圆孔（直径低于金属圆球，目的不让金属圆球从此飞出），使产生气流通过圆孔网格传播散开，减少对机器运行的影响；为了加强本发明装置的刚度和强度，外保护罩体设置罩体筋板，支架1设置支架横向筋板2和支架纵向筋板3。

如2-5所示，具体的工作过程为：1、将加工工件固定在与上罩体开口8平行处；2、电动机24通电运转，带动旋转主轴18高速旋转，旋转主轴18通过旋转叶片固定套15和旋转叶片固定销16的组合带动旋转叶片11移动，由于旋转叶片11下端被固定住，因此会产生一定的向心力，做快速离心运动，在达到一定速度时将旋转叶片11顶部甩起；3、将金属圆球放入金属圆球输送轨道10上端，金属圆球沿金属圆球输送轨道10滚动并在最低端靠近旋转叶片11处落下，做自由落体运动，与瞬间运动到上罩体开口8处的击打板12在击打中心附近发生碰撞，由于碰撞原理并通过能量传递，将金属圆球瞬间击打出去做高速平抛或者斜抛运动，高速运行的圆球与处在飞行路径上的工件表面发生碰撞，产生塑性变形，单一圆球撞后可在工件表面撞出凹坑，由于此设计中圆球的输送数量、击打板12的面积和击打密度等作用，可在同一瞬时时间有足够数量的金属圆球完成“落下-击打-飞行-撞击”全过程，即单位时间内会有数量多且能量大的金属圆球与工件表面发生随机碰撞，在单一圆球产生凹坑的同时，凹坑边缘部分可能被其他圆球的凹坑覆盖，形成二次变形，且时间很短，在这样密集随机的作用下，被加工工件表面产生剧烈塑性变形，以致表面原大晶粒被位错交割成细小晶粒，达到纳米尺度并形成一定厚度的纳米结构表层。

Claims (10)

1.一种击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是电动机(24)依次连接联轴器(21)和旋转击打装置，所述的旋转击打装置包括外保护罩体、旋转叶片(11)、击打板(12)、旋转叶片固定套(15)和旋转主轴(18)，所述的旋转叶片固定套(15)与所述的旋转主轴(18)同心且与旋转主轴(18)固定；所述的旋转叶片(11)连接旋转叶片固定套(15)；所述的击打板(12)固定在所述的旋转叶片(11)上；所述的外保护罩体为圆形，由上保护罩体(5)和下保护罩体(4)连接组成，外保护罩体中心开有通孔，通过通孔与所述的旋转主轴(18)固定连接，在所述的上保护罩体(5)顶部侧边开有弧长小于1/4圆的上罩体开口(8)。

2.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的旋转叶片固定套(15)两侧设置有挡圈(17)且通过连接键固定于所述的旋转主轴(18)上。

3.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的旋转叶片(11)通过旋转叶片固定销(16)与所述的旋转叶片固定套（15）连接。

4.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的旋转主轴(18)两端设置轴承(19)，顶部设置有固定挡板(23)，在所述的轴承(19)外侧设置有轴承端盖(20)，所述的轴承端盖(20)通过螺旋固定在所述的外保护罩体上。

5.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的击打板(12)焊接在垫片(13)上且一同通过螺栓(14)固定在所述的旋转叶片（11）的顶端。

6.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的外保护罩体设置有罩体筋板，并通过翻边(6)与支架(1)固定支撑。

7.根据权利要求1或6所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的支架（1）设置有支架横向筋板(2)和支架纵向筋板(3)。

8.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的上保护罩体(5)和下保护罩体(4)通过螺纹(7)连接，所述的下保护罩体(4)底部开有下罩体开口(9)。

9.根据权利要求1所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的联轴器(21)通过键(22)与所述的旋转主轴(18)和所述电动机(24)的传动轴连接。

10.根据权利要求6所述的击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置，其特征是所述的电动机(24)固定在所述的支架(1)上。

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