CN111411364A - 一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于表面纳米化加工技术领域，尤其是一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1样品表面处理：将样品放在机床上固定，进行车削加工，将样品的表面进行车削直至表面平整，然后再对该表面进行细磨处理降低表面的粗糙度；S2纳米梯度结构制备：S21在常温下运用电解的方法在纯铜试样表面制备多层纳米梯度结构，其中晶粒尺寸仅为30nm，在对其进行轧制，产品的延伸率扩大到了5100%，并且不产生加工硬化现象；S22对样品表面进行超声波滚压处理；S23高能离子注渗；S3样机装配测试。本发明具备优越的先进性、可靠性、安全性、环保节能且智能化程度高等优点，技术明显优于传统数控加工设备的各项技术指标。

Description

一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法
技术领域
本发明涉及表面纳米化加工技术领域，尤其涉及一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法。
背景技术
一、表面纳米化加工行业未来应用前景广阔。
通常情况下，金属零件的失效多源于表面，随着工作过程的持续，长期处在潮湿空气或者水中的零件表面会出现腐蚀的情况；而做相对运动的两接触面之间会出现磨损的情况；工作在变应力条件下的零件会出现接触疲劳的情况，在这个基础上，产生了一门新的应用工程，即材料的表面工程，通过表面工程的处理来延长金属材料的使用寿命，提高各种机械性能。
在对纳米技术研究的基础上，在普通的纳米材料中结合特定的处理技术，包括组合安装的方法、特种加工技术、强化处理等，最终形成了这样一种新的工程，我们称之为表面纳米工程，利用表面纳米化这一技术，可以对工程中使用的许多种材料进行处理，来给材料的表面赋予一层具有特殊性能的纳米层结构，来提高它们的整体性能。经过表面纳米化处理的金属材料相比于未经处理的金属材料，在各方面的性能优势非常明显，使用寿命也更长。具有纳米层结构的金属材料，实际已经拥有了纳米材料诸多特殊的性能，包括了高硬度、高塑性、良好的导热性、耐腐蚀等，这些性能涵盖了多数的多晶体材料的性能，尽管这层纳米层结构的厚度很有限，但是随着研究的深入，这并不是问题。
近些年，随着表面纳米化逐渐的受关注，金属材料的表面纳米化在理论研究领域之中克服了诸多困难，已经取得了突破性进展，井且被广泛应用到了工程之中；
在对实现表面纳米化处理方法的研究中，应用最为广泛的包括机械研磨处理、超声微粒轰击、摩擦法等几种方法。利用这些方法，已经在低碳钢、铜、316L不锈钢等材料的表面制备出了约10um-30um厚的纳米层，显著提高了材料的表面综合性能。
二、国内外目前表面纳米化加工行业存在的瓶颈，导致该行业技术无法突破。目前国内外传统表面纳米化加工行业设备存在的主要瓶颈，涉及主要内容如下：
1、传统加工设备，生产过程（包括研发、设计）中的每一个关键环节上的装备，很难实现智能化。
2、传统加工设备，严重缺乏采用工业软件为代表的软装备，包括CAD/CAE/CAM/Pro/E/MES等这样的软件工具。没有软装备，就不可能有“数字化、网络化、智能化”。
3、传统加工设备，不能实现生产过程的智能化，即不能实现把内部网、外部网连起来，不能变成一个智能物理系统（CPS）。
本项目基于材料表面自身纳米化的原理，开发设计了通过基于智能控制系统的压电式往复加载复合大能量于金属材料表面的方法来对其进行表面纳米化数控加工的高端智能装备。在理论分析及设计的基础上，进行了样机设计，在样机加工装配完成后，对样机的性能进行型式测试，并对经过不同工艺参数的表面纳米化处理的工件试样进行了显微结构特征的观察分析实验，为表面纳米化的理论研究和新的基于智能控制系统的表面纳米化数控加工的高端智能装备的开发工作莫定了墓础。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，包括如下步骤：
S1样品表面处理：
将样品放在机床上固定，进行车削加工，将样品的表面进行车削直至表面平整，然后再对该表面进行细磨处理降低表面的粗糙度；
S2纳米梯度结构制备：
S21在常温下运用电解的方法在纯铜试样表面制备多层纳米梯度结构，其中晶粒尺寸仅为30nm，在对其进行轧制，产品的延伸率扩大到了5100%，并且不产生加工硬化现象；
S22对样品表面进行超声波滚压处理；
S23高能离子注渗：
将样品钻孔，利用铁丝穿过空洞将样品悬挂于注渗炉内；调节电压至600V使炉内温度保持在500-800℃，通过注渗炉向样品的表面进行注渗碳化钨，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得样品的晶粒粗大；保温时间24h。
S3样机装配测试：
将表面进行纳米梯度制备后的样品进行样机装配，在样机加工装配完成后，对样机的性能进行型式测试，并对经过不同工艺参数的表面纳米化处理的工件试样进行了显微结构特征的观察分析实验。
优选的，所述步骤S1中车削加工采用金刚石刀具对所述旋转的圆柱形金属材料工件的表面进行车削加工的步骤中，所述金刚石刀具的轴向速度为5～10mm/min；所述金刚石刀具的长度为8～90mm；所述金刚石刀具的刀尖进入金属材料工件的加工深度为5～100μm。
优选的，所述纳米梯度结构组织由表面至芯部依次为纳米孪晶、纳米晶、超细孪晶、超细晶、变形粗晶和初始粗晶；其中，所述纳米孪晶的厚度为10～200μm，所述纳米晶的厚度为20～1000μm，所述超细孪晶的厚度为40～1800μm，所述超细晶的厚度为50～2000μm，所述变形粗晶的厚度为80～3000μm。
本发明中，所述一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，本项目成功研制处首台基于智能控制系统的表面纳米化数控加工装备，该装备工艺先进，技术路线合理，具备优越的先进性、可靠性、安全性、环保节能且智能化程度高等优点，技术明显优于传统数控加工设备的各项技术指标，特别有利于基于智能控制系统的表面纳米化数控加工高端智能装备首台突破的实施。采用表面纳米化数控加工高端智能装备的工艺综合成本低，同时对表面纳米化数控加工高端智能装备的推广应用具有显著的社会效益，经济效益和环境效益。可带动表面纳米化数控加工行业的新发展，带动表面处理上下游行业,包括电镀及表面处理行业，五金行业，机加工行业，装备制造行业、注塑行业，化工、炼油行业的转型，对环保可持续具有重要意义。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，包括如下步骤：
S1样品表面处理：
将样品放在机床上固定，进行车削加工，将样品的表面进行车削直至表面平整，然后再对该表面进行细磨处理降低表面的粗糙度；
S2纳米梯度结构制备：
S21在常温下运用电解的方法在纯铜试样表面制备多层纳米梯度结构，其中晶粒尺寸仅为30nm，在对其进行轧制，产品的延伸率扩大到了5100%，并且不产生加工硬化现象；
S22对样品表面进行超声波滚压处理；
S23高能离子注渗：
将样品钻孔，利用铁丝穿过空洞将样品悬挂于注渗炉内；调节电压至600V使炉内温度保持在500-800℃，通过注渗炉向样品的表面进行注渗碳化钨，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得样品的晶粒粗大；保温时间24h。
S3样机装配测试：
将表面进行纳米梯度制备后的样品进行样机装配，在样机加工装配完成后，对样机的性能进行型式测试，并对经过不同工艺参数的表面纳米化处理的工件试样进行了显微结构特征的观察分析实验。
本发明中，步骤S1中车削加工采用金刚石刀具对所述旋转的圆柱形金属材料工件的表面进行车削加工的步骤中，所述金刚石刀具的轴向速度为5～10mm/min；所述金刚石刀具的长度为8～90mm；所述金刚石刀具的刀尖进入金属材料工件的加工深度为5～100μm。
本发明中，纳米梯度结构组织由表面至芯部依次为纳米孪晶、纳米晶、超细孪晶、超细晶、变形粗晶和初始粗晶；其中，所述纳米孪晶的厚度为10～200μm，所述纳米晶的厚度为20～1000μm，所述超细孪晶的厚度为40～1800μm，所述超细晶的厚度为50～2000μm，所述变形粗晶的厚度为80～3000μm。
本发明中，表面纳米化数控加工高端智能装备在工程应用中可达到的实际效果：
由于纳米晶体材料具有尺寸极小的晶粒，这就赋予了晶粒与晶界之间很多特殊的效应，例如表面效应、量子尺寸效应等，纳米材料相对于微米、毫米级材料来说，在很多方面也体现出了优良的性能，比如导热性、磁阻性、光的反射率等。基于此，纳米材料广泛应用于材料学与物理学之中。
采用本项目基于智能控制系统的表面纳米化数控加工高端智能装备加工的纳米梯度结构晶体材料具有的显著性能，具体包括如下：
1）强度
在传统的多晶材料中，材料的强度σ与晶粒尺寸d存在着一定的关系，这个关系我们称之为Hall-Peteh关系，即:σ=σ0+kd-l/2其中，σ0为强度常数，k为正的常数。由上式可以看出，随着材料中晶粒尺寸的变小，多晶材料的强度服从d-l左的规律增加。本项目装备加工的纳米梯度结构晶体材料的强度σ同样遵循这个规律，本项目梯度结构纳米晶体材料的强度远大于传统的多晶材料。
2）超塑性
材料的超塑性指的是对处于特殊条件下的普通材料，通过拉伸的方式来使其拥有非常强的延伸性能，而且不会出现断裂的情况。在研究者进行了大最的实验之后，得出了一个结论就是材料中晶界的滑移使得材料具有了超塑性，而假设中的位错滑移对材料的超塑性是没有贡献的.若想通过晶界的滑移来给材料赋予超塑性，那么很重要的一个条件就是晶粒的尺寸一定是细小的，只有晶粒的尺寸达到纳米级别，才可能在常温下使得材料具有超塑性。本项目在常温下运用电解的方法在纯铜试样表面制备了一层纳米结构，其中晶粒尺寸仅为30nm，在对其进行轧制，产品的延伸率扩大到了5100%，并且不产生加工硬化现象。本项目装备可以在普通材料表层制各出具有超塑性的梯度纳米结构。
3）扩散性
纳米材料中徽细晶粒之间具有着密集的晶界，这些晶界使晶粒的扩散能力大大增强，这进一步使得纳米材料能够表现出较高的扩散性。通过本项目研究人员的实验验证，晶粒之间的扩散能力与多种因紊有关，包括了氢元素的浓度、缝隙的大小以及材料中包含的杂质的扩散性。本项目梯度纳米材料本身所呈现出的许多优良的性能都源自于其高扩散性，例如梯度结构纳米材料的超塑性。
4）特殊的热学性质
粗晶粒构成的固体物质本身都是具有固定熔点的，当其晶粒超微化处理后，物质的熔点就会降低。以块状金晶体为例，正常情况下，其熔点为1064℃，对其进行超微化处理，使得金晶粒尺寸减小至10nm，此时金的熔点降低至1037℃，继续超微化处理，晶粒尺寸缩小到2nm时.金的熔点就会变为327℃。除此之外，测量发现，纳米级晶体材料的比热相比之晶粒尺寸较大的粗晶体比热高得多。本项目通过对纳米晶体材料的热膨胀系数的测量实验发现，纳米晶Cu、Pd和Ni-P合金的线膨胀系数大约为它们的单晶的两倍。
5）光学性质
红外线波长以及雷达微波的波长由于比纳米材料的晶粒尺寸大得多，导致其透射率远大于普通材料的透射率，因此，本项目梯度结构纳米材料的这个特性使得波在其中的反射率大大减小。另外，普通纳米材料由于晶粒尺寸大，所以其表面积要远小于纳米材料的表面积，导致纳米材料对红外线和微波雷达的吸收率增大，结果是导致波反射率降低，本项目的梯度结构纳米晶体材料可以起到一定的隐身能力。除此之外，还可以利用本项目梯度结构纳米晶体材料超微粒子对光反射低的性能实现消光的能力，并且提高对太阳能的吸收利用，提高光能转电能的效率。另外，本项目的梯度结构纳米晶体材料还具有许多粗晶粒材料所不具有的宽频带强吸收特性、非线性光学效应、光伏效应以及在磁场作用下的发光效应等特殊的性能。
6）电学性质
测量发现，纳米金属材料等纳米级别材料的自身电阻值高，依据实验结果预计纳米材料中的电阻温度系数，可以认为其可能是负的，只是并没有观察到。研究表明，虽然纳米氧化物的电导的特性很小，不过对于纳米材料来说，它的电导性随着温度的变化而有非常明显的变化。因此，通过改变化合物中具有较好的电导性的成分就能够实现对其电导性进行数量级的改变。另外，当将一些纳米金属材料置于强磁场中时，可以导致它们的电阻显著降低，但是将普通材料置于强磁场中时，电阻降低仅有百分之一左右，具有这种特性的材料成为巨磁阻材料。
综上所述，本项目梯度结构纳米材料自身相比块状晶体材料所具有的各种显著优异特性，高性能梯度结构纳米材料及其基于智能控制系统的表面纳米化数控加工高端智能装备的工程应用市场前景广阔。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1样品表面处理：
将样品放在机床上固定，进行车削加工，将样品的表面进行车削直至表面平整，然后再对该表面进行细磨处理降低表面的粗糙度；
S2纳米梯度结构制备：
S21在常温下运用电解的方法在纯铜试样表面制备多层纳米梯度结构，其中晶粒尺寸仅为30nm，在对其进行轧制，产品的延伸率扩大到了5100%，并且不产生加工硬化现象；
S22对样品表面进行超声波滚压处理；
S23高能离子注渗：
将样品钻孔，利用铁丝穿过空洞将样品悬挂于注渗炉内；调节电压至600V使炉内温度保持在500-800℃，通过注渗炉向样品的表面进行注渗碳化钨，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得样品的晶粒粗大；保温时间24h；
S3样机装配测试：
将表面进行纳米梯度制备后的样品进行样机装配，在样机加工装配完成后，对样机的性能进行型式测试，并对经过不同工艺参数的表面纳米化处理的工件试样进行了显微结构特征的观察分析实验。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，其特征在于，所述步骤S1中车削加工采用金刚石刀具对所述旋转的圆柱形金属材料工件的表面进行车削加工的步骤中，所述金刚石刀具的轴向速度为5～10mm/min；所述金刚石刀具的长度为8～90mm；所述金刚石刀具的刀尖进入金属材料工件的加工深度为5～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于高端智能终端装备纳米梯度结构制备方法，其特征在于，所述纳米梯度结构组织由表面至芯部依次为纳米孪晶、纳米晶、超细孪晶、超细晶、变形粗晶和初始粗晶；其中，所述纳米孪晶的厚度为10～200μm，所述纳米晶的厚度为20～1000μm，所述超细孪晶的厚度为40～1800μm，所述超细晶的厚度为50～2000μm，所述变形粗晶的厚度为80～3000μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110605403A (zh) * 2019-08-05 2019-12-24 香港理工大学深圳研究院 一种超精密加工技术制备梯度纳米结构金属材料的方法
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