CN104152650A - 一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，该装置包括旋转工作头、液压系统和滚轮压头，旋转工作台包括电动机、底座、工作台台面和夹具，电动机连接工作台台面用来驱动工作台台面旋转；液压系统包括液压机、动力系统和电气控制系统；滚轮压头包括压头底座和镶嵌于压头底座上的滚针，液压机用来驱动压头底座并将镶嵌其上的滚针压入夹持于夹具上的金属材料样品表面。本发明操作简便，安全性高，无噪音污染，且生产效率高；处理后的金属材料变形均匀、表面光滑；可通过调节压力值、处理时间和处理温度等条件调控金属材料表面梯度纳米层的厚度及晶粒尺寸，实现梯度纳米层的可控制备。

Description

一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置

 

技术领域                                  

本发明属于表面薄膜材料技术领域，尤其涉及一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置。

背景技术

自20世纪纳米材料问世以来，其展现出的远比传统材料优越的各项性能如高强度、高扩散系数、高耐磨性、良好的电学和磁学性能等，吸引着人们不断探索和研究更为优异的纳米材料的制备方法。然而，目前主流的块体金属纳米材料的制备方法仍存在很多不足。原位生成法（In-situ Synthesis）的工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求；强烈塑性变形法（Severe Plastic Deformation）如等通道挤压、高压扭转、多向锻打/压缩技术、循环挤/压技术等，往往因为应变量和应变率有限，只能细化晶粒至亚微米量级；机械合金化法（Mechanical Alloying）和粉末冶金法（Powder Metallurgy）在制备过程中极易产生杂质、污染、氧化及应力；非晶晶化法（Crystallization of Amorphous）局限于化学成分上能够形成非晶结构的材料，且难以获得大块材料。

但是，金属材料的失稳如疲劳、腐蚀等，往往始于表面。因此采用金属材料表面强化的方法，在不改变基体特性的同时细化材料表面的晶粒至纳米尺度，有望避免块体纳米材料制备过程中所遇到的困难，同时也能大幅提高金属材料的性能，使其满足使用要求。此外，对于整体纳米结构材料，实现强度提升的同时，会导致塑性和韧性的降低，而卢柯等人在《Science》期刊发表的研究结果表明，与整体纳米结构不同，表面梯度纳米结构有望获得强度和韧性的良好配合。

虽然人们已知形变诱导金属材料结构纳米化的基本原理是通过强塑性变形在晶粒内部产生大量的位错，导致晶粒的破碎和不断细化，但对其关键机理还缺乏足够认识，如晶粒细化机理和晶粒尺寸的控制条件。同时，表面粗糙度较高且变形不均匀也是亟待解决的问题。

授权公告号为CN 1236075C的中国发明专利公开了一种机械强力喷丸表面纳米化方法，该方法通过钢丸撞击工件使其表面产生塑性变形，形成纳米晶层。该方法存在纳米晶层表面粗糙度较高、变形层不均匀、噪音污染严重等问题。

授权公开号为CN102321791A的中国发明专利公开了一种利用滑动摩擦实现金属材料表面纳米化的方法，该方法通过摩擦机构在金属表面进行滑动摩擦而实现金属表面纳米化。该方法存在生产效率低、难以应用到工程实际当中等缺点。

与此同时，现有的金属材料表面纳米化方法，都因为变形模式较为复杂，表面纳米层的厚度及晶粒尺寸等结构参量受多种工艺参数影响，导致材料结构控制的难度和材料性能的难重复性，同时表面纳米层厚度不足，因而难以实现表面梯度纳米晶层的可控制备。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，采用该装置可制备厚度和晶粒尺寸可控且变形均匀、表面光滑的梯度纳米层。

本发明的原理为：利用液压系统给滚轮压头加压，使滚轮压头上镶嵌的滚针压入金属材料表面，再由旋转工作台带动金属材料旋转，让滚针在金属材料表面滚动，使金属材料表面产生强烈塑性变形，导致晶粒不断细化，最终实现表面梯度纳米化。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，包括旋转工作头、液压系统和滚轮压头，其中：

旋转工作台包括电动机（3）、底座（5）、工作台台面（7）和夹具（8），夹具（8）设于工作台台面（7）上，工作台台面（7）固定于底座（5）上，电动机（3）连接工作台台面（7）用来驱动工作台台面（7）旋转；

液压系统包括液压机、动力系统和电气控制系统（17），动力系统用来给液压机提供动力，电气控制系统（17）用来控制液压机的运行与停止；

滚轮压头包括压头底座（9）和镶嵌于压头底座（9）上的滚针（2），液压机用来驱动压头底座（9）并将镶嵌其上的滚针（2）压入夹持于夹具（8）上的金属材料样品表面，所述的滚针（2）材料硬度大于金属材料样品硬度。

上述旋转工作台还包括支架（4），底座（5）固定于支架（4）上。

上述夹具为（8）为长方体形凹槽。

上述液压机包括下板（6）、滑块（10）、立柱（11）、上板（12）和主缸（13），下板（6）固定于底座（5），立柱（11）底端固定于下板（6）上，其顶端固定于上板（12）上；主缸（13）安装于上板（12）中央，其下端连接滑块（10），滑块（10）套在立柱（11）上并可沿立柱（11）滑动，夹具（8）、下板（6）、滑块（10）、上板（12）相互平行。

上述动力系统包括压力调节阀（14）、油箱（15）和油泵机电组（16），油箱（15）和油泵机电组（16）连通，压力调节阀（14）用来调节油泵机电组（16）产生的压力值。

上述压头底座（9）上镶嵌有滚针（2），安装于滑块（10）下端。

上述滚针（2）为圆柱形，其长轴垂直于压头底座（9），并可绕其长轴旋转。。

上述滚针（2）分布于以滚轮压头（9）中心为圆心的若干同心圆圆周上。

 

与现有技术相比，本发明装置具有以下优点和有益效果：

1、操作简便，安全性高，无噪音污染，且生产效率高。

2、可在室温或液氮环境下处理金属材料表面，处理后的金属材料变形均匀、表面光滑。

3、可控制施加于金属材料表面的压力，因此可通过调节压力值、处理时间和处理温度等工艺条件调控金属材料表面梯度纳米层的厚度及晶粒尺寸，实现梯度纳米层的可控制备。

附图说明

图1为本发明装置的立体示意图；

图2为本发明装置的平面示意图；

图3为本发明滚轮压头和滚针结构的示意图，其中，图（a）为滚轮压头俯视图，图（b）为滚轮压头侧视图；

图4为本发明夹具的示意图。

图中，1-金属材料样品，2-滚针，3-电动机，4-支架，5-底座，6-下板，7-工作台台面，8-夹具，9-压头底座，10-滑块，11-立柱，12-上板，13-主缸，14-压力调节阀，15-油箱，16-油泵机电组，17-电气控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

见图1~2，本发明装置由旋转工作台、液压系统和滚轮压头（9）三部分组成。旋转工作台由电动机（3）、支架（4）、底座（5）、工作台台面（7）和夹具（8）组成。夹具（8）固定于工作台台面（7）上，工作台台面（7）与电动机（3）相连接并由电动机（3）带动其旋转，工作台台面（7）安装于底座（5）上，底座（5）固定于支架（4）上。开启电动机（3），电动机（3）带动工作台台面（7）旋转，工作台台面（7）带动其上的夹具（8）旋转，进而带动夹具（8）上夹持的金属材料样品（1）旋转。 本实施例中采用的电动机（3），其转速调节范围为0~60r/s，转矩为1.5kN·m。

液压系统由液压机、动力系统和电气控制系统（17）组成。液压机由下板（6）、滑块（10）、立柱（11）、上板（12）和主缸（13）组成。下板（6）固定于旋转工作台底座（5），四根立柱（11）底端安装于下板（6）上，其顶端固定于上板（12）上。主缸（13）安装于上板（12）中央，其下端连接滑块（10），滑块（10）套在四根立柱（11）上并可沿立柱（11）上下滑动，夹具（8）、下板（6）、滑块（10）、上板（12）相互平行。动力系统由油箱（15）、油泵机电组（16）和压力调节阀（14）组成，用于给液压机提供动力。电气控制系统（17）用于控制液压机的运行与停止。本实施例中采用的液压系统的压力值调节范围为0~21Mpa，对应的公称力范围为0-200kN。

见图3，压头底座（9）安装于滑块（10）下端，其表面镶嵌有若干圆柱形滚针（2）。滚针（2）分布于以滚轮压头（9）中心为圆心的若干同心圆圆周上，并以各自长轴为旋转轴进行旋转。当压头底座（9）压于金属材料样品（1）上时，由于金属材料样品（1）旋转，将带动滚针（2）转动。本实施例中，滚针（2）底面直径为8cm、长度为10cm，材料为GCr15。

见图4，夹具（8）用来夹持金属材料样品（1），本实施例中，夹具为（8）为长方体形凹槽，金属材料样品（1）夹持于凹槽内，可加持的样品底面尺寸最小为50cm╳50cm，样品底面最大尺寸为160cm╳160cm，高度不限。

本发明装置的工作过程如下：

将金属材料样品（1）固定于夹具（8）上，可根据需要向夹具（8）内加入液氮，调节压力调节阀（14）至给定压力值，启动动力系统的油泵机电组（16），给液压系统提供动力，驱动主缸（13）向下移动，主缸（13）带动滑块（10）及其上压头底座（9）下移至滚针（2）压入金属材料样品（1）表面，并施加压力。启动电动机（3），工作台台面（7）旋转，进而带动夹具（8）上的金属材料样品（1）旋转，滚针（2）在金属材料样品（1）表面滚动。保持油泵机电组（16）和电动机（3）的平稳运行，滚针（2）在金属材料样品（1）表面的滚压使得样品表面产生强烈塑性变形，最终在金属材料样品（1）表面形成梯度纳米晶层。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并不对本发明做任何限制。

Claims (8)

1.利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于，包括：

旋转工作头、液压系统和滚轮压头，其中：

旋转工作台包括电动机（3）、底座（5）、工作台台面（7）和夹具（8），夹具（8）设于工作台台面（7）上，工作台台面（7）固定于底座（5）上，电动机（3）连接工作台台面（7）用来驱动工作台台面（7）旋转；

液压系统包括液压机、动力系统和电气控制系统（17），动力系统用来给液压机提供动力，电气控制系统（17）用来控制液压机的运行与停止；

滚轮压头包括压头底座（9）和镶嵌于压头底座（9）上的滚针（2），液压机用来驱动压头底座（9）并将镶嵌其上的滚针（2）压入加持于夹具（8）上的金属材料样品表面，所述的滚针（2）材料硬度大于金属材料样品硬度。

2.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的旋转工作台还包括支架（4），底座（5）固定于支架（4）上。

3.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的夹具为（8）为长方体形凹槽。

4.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的液压机包括下板（6）、滑块（10）、立柱（11）、上板（12）和主缸（13），下板（6）固定于底座（5），立柱（11）底端固定于下板（6）上，其顶端固定于上板（12）上；主缸（13）安装于上板（12）中央，其下端连接滑块（10），滑块（10）套在立柱（11）上并可沿立柱（11）滑动，夹具（8）、下板（6）、滑块（10）、上板（12）相互平行。

5.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的动力系统包括压力调节阀（14）、油箱（15）和油泵机电组（16），油箱（15）和油泵机电组（16）连通，压力调节阀（14）用来调节油泵机电组（16）产生的压力值。

6.如权利要求4所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的压头底座（9）上镶嵌有滚针（2），安装于滑块（10）下端。

7.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的滚针（2）为圆柱形，其长轴垂直于压头底座（9），并可绕其长轴旋转。

8.如权利要求1所述的利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，其特征在于：

所述的滚针（2）分布于以滚轮压头（9）中心为圆心的若干同心圆圆周上。