CN1176228C - 形成纳米结构处理方法和专用处理设备 - Google Patents
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Abstract
一种形成纳米结构处理方法和专用处理设备，是在金属零件上进行表面处理，步骤：1)完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行喷射处理；2)移动撞击点位置、重复步骤1)，使撞击点覆盖金属零件全部待处理表面；3)所述步骤1)、2)同时，在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理；设备包括完全球状的弹丸等，金属零件与固定部件相连，构成容器一个壁面，在容器中弹丸由循环喷射装置驱动、以可变入射角与金属零件表面反复撞击接触，循环喷射装置为能使弹丸对金属零件表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；在密封的隔音腔体中还设有化学或化学热处理装置。它能在材料表面上形成纳米尺度的显微结构或纳米结构的表层。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术，具体地说是一种金属零件上形成纳米结构的处理方法和专用处理设备。
背景技术
通常小于100nm的典型超细晶颗粒至少在一维方向上显示出纳米晶体材料的特征。这些材料可用已知的方法制备，例如IGC(隋性气体冷凝)，SPD(强烈塑性变形)等，但这些材料通常有孔隙类缺陷多和易污染等缺点。
利用表面加工技术，金属零件表面的晶粒可以细化，并有可能达到纳米尺度。传统的金属表面加工方法，借助压缩空气将小尺寸的弹丸(例如金属的)以5至100米/秒的速度喷射在材料的表面上，与超声喷丸(弹丸速度在5至20米/秒之间)相比，传统喷丸方法优点在于弹丸有更大的喷射速度。传统喷丸方法不足之处在于：所使用的弹丸实际上是非圆形状(例如圆柱状)，是通过研磨得到的近似于圆形的金属块，这种丸不是完全球状的，因而是一种不合格的“弹丸”。当弹丸在表面上撞击时，缺损的球形会引起应力集中在局部造成损伤的积累，这种损伤积累可能在材料上产生裂纹，并且当喷丸处理的持续时间较长时，可能使材料的表面发生鳞片状剥落。其次弹丸不能立即重新使用，而是需要一个再循环设备实现弹丸的循环供给、喷射，整个过程若没有再循环设备，就必然需要大量的弹丸；对于零件上给定的表面，每次入射喷射都是单向的、角度固定的；另外，从已取得的结果来看，经过表面处理过的零件的表面不含有或很少有纳米结构。
法国专利申请(申请号：2689431)或俄罗斯专利申请(申请号：1391135)，提供一种在预定的时间里利用超声波使金属零件产生强化的方法，它能在封闭的空间中通过超声波发生器的中间体实现弹丸的运动。根据法国专利证申请的方法，可通过调节弹丸的速度使金属零件取得确定的表面粗糙度和确定深度的硬化层。为了获得理想的处理效果，发射系统移动的速度应满足一个确定值，低于这个值材料的表面可实现冷作硬化，高于这个值进行处理则效果不均匀。这就是说，不论材料表面的哪个点都不能被重复喷射，只能喷射一次。上述专利申请中，可考虑的发射和移动速度只是每秒钟几十个厘米，其喷射幅度为100μm。因此，采用现有的加工方法，难以在材料上获得一定深度的纳米结构，例如从几到几十微米深度的纳米结构表层。
发明内容
为了弥补以前的不足，本发明的目的是提供一种形成纳米结构处理方法和专用处理设备，它能利用完全球状的弹丸，以可变入射角喷射方式能在材料的表面上形成一层与基体材料化学成分完全相同的、晶粒尺寸为几十纳米的显微组织，即一个纳米尺度的显微结构或纳米结构的表层，其厚度范围为十几至几百微米，这亦称之为表面纳米化(SNC)。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
在金属零件上进行表面处理，获得纳米结构表层，具体步骤为：
1)在确定的持续时间里，以确定的速度、确定的距离、相同撞击点、可变入射角和限定数量的并可长期重复使用的完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行一种喷射处理；
2)移动撞击点位置、重复步骤1)，使撞击点覆盖金属零件的全部待处理表面；
3)当实施所述步骤1)、2)的同时，在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理。
其专用处理设备：包括弹丸，所述弹丸为完全球状的，具有确定的尺寸、速度和数量；还包括容器、固定部件、循环喷射装置、回收装置，其中：待处理金属零件与固定部件相连，构成容器的一个壁面，在容器中弹丸由循环喷射装置驱动、以可变入射角与金属零件表面反复撞击接触，循环喷射装置为能使弹丸对金属零件表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；重新使用弹丸的回收装置安装在容器上，在一个密封的隔音腔体中还设有化学或化学热处理装置，它可在金属零件上取得确定的物理化学性能。
本发明的原理是：对金属零件进行表面处理，通过各个方向上随机产生的塑性变形，有效地降低整个表面上的晶粒尺寸，这种表面结构的变化一方面可以改变金属零件的机械性能，另一方面可以改善金属零件浅表层上的扩散性质。纳米微观结构或纳米结构的机械特性研究表明：金属的晶粒尺寸越小，其机械强度越大。因此，目前的研究以开发出可获得仅由纳米结构构成零件的制造方法为主。本发明则是通过产生纳米结构处理方法在整个金属零件上形成一个具有纳米结构特征的表层，这个表层足以保证零件能获得力求达到的特性，例如希望的机械性能(疲劳、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。取得纳米结构是要减小金属零件表面的晶粒尺寸，例如，纯铁零件最初的晶粒尺寸为100μm，按照本发明进行处理后，零件表面的晶粒尺寸可降至只有几十纳米。
本发明具有如下优点：
1.本发明通过产生纳米结构的机械方法及其专用处理设备，可有效地降低金属零件表面上的晶粒尺寸，在整个金属零件的表面上形成一层与基体材料化学成分完全相同的、晶粒尺寸为几十纳米的显微组织，材料表面纳米结构的厚度范围为十几至几百微米。所述具有纳米结构特征的表层，足以保证金属零件能获得力求达到的特性，例如希望的机械性能(疲劳、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。
2.采用本发明产生纳米结构处理方法及其专用处理设备，金属零件浅表层上的扩散性质明显改善。与现有的工艺技术相比，本发明能够减少渗氮处理的时间，并使金属零件在低处理温度下进行渗氮变为可能。而以前渗氮应在大约550℃时进行，在这个温度下对金属零件进行处理可能会引起材料的变形，对金属零件来说精密的几何形状是极其重要的，如此的变形常常是不允许的。采用本发明进行纳米化预处理后再进行渗氮，降低了处理温度、减小或消除了零件的变形，从而使得精密金属零件也能够进行渗氮操作。
3.本发明采用完全球状的弹丸，并且是高质量的、数量确定的，在弹丸撞击时可以避免应力在金属零件限定的局部累积而损坏材料。由于在形成纳米结构表层的过程中，这种完全球状的弹丸能够在材料的表面各种方向产生塑性变形，那么多方向上塑性变形的重复就会导致待处理金属零件晶粒的碎化并造成它们尺寸的下降。
4.本发明产生纳米结构处理方法及其专用处理设备，采用弹丸的循环喷射装置，在喷口处设有旋转轴和活动组件，实现了喷口在活动组件上的平动和绕轴转动，使弹丸能在待处理金属零件表面的同一撞击点上，以可变入射角进行喷射，使金属零件表面的随机方向上产生塑性变形。
5.本发明在表面喷射处理中对待理的金属零件施加机械应力和/或热应力的同时采用能使弹丸进行运动的超声波发生器，有助于在金属零件中产生强烈塑性变形，可获得几百微米(或更大)厚度的纳米结构表层。
6.由于本发明采用了振动发生装置，解决了弹丸再循环的问题。
附图说明
图1为本发明形成纳米结构处理方法的专用处理设备结构示意图。
图2A为本发明一个实施例中外加应力装置的结构示意图。
图2B为图2A中垫块的俯视图。
图3A为本发明另一个实施例中外加牵拉式应力装置的结构示意图。
图3B为图3A中下平台俯视图。
图4为本发明如图2所示的实施例采用带有外加应力装置通过使用超声波形成纳米结构的实施例的结构示意图。
图5A和图5B为本发明实施例中分别以550℃和350℃在一个处理的金属零件上进行离子渗氮所显示的氮的渗透率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
在金属零件的表面区域上进行表面处理，以取得纳米结构表层，具体步骤为：
1)在确定的持续时间里，以确定的速度、确定的距离、相同撞击点、可变入射角和限定数量的并可长期重复使用的完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行一种喷射处理；
2)移动撞击点位置、重复步骤1)，使撞击点覆盖金属零件的全部待处理表面；
3)当实施所述步骤1)、2)的同时，在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理；
所述物理化学处理通过渗氮实现，这种渗氮使待处理的零件在氮气氛下以350℃至550℃之间确定的温度和在30分钟至10小时之间的确定持续时间里进行，通过化学物质扩散形成新的化合物；所述物理化学处理为在金属零件的表面结构中进行一种渗碳、催化、离子储存；所述表面喷射处理采用空气压缩机或涡轮，提供使弹丸运动的动力，使弹丸按随机方向进行运动；所述表面喷射处理采用超声波发生器，超声波发生器的声波及其与弹丸的相互作用使弹丸按随机的方向进行运动；在所述表面喷射处理中对待处理的金属零件施加机械应力和/或热应力，其应力值为小于金属零件材料的屈服应力；在所述表面喷射处理中对待处理的进行加热，其加热温度控制在使金属零件或合金晶粒发生长大的温度以下；所述表面喷射处理时对金属零件待处理区域进行局部冷却；所述弹丸按使用者希望的纳米结构表层厚度采用完全球状的，其直径保持在300μm～3mm之间；所述弹丸运动速度为3～100米/秒；当所述表面喷射处理采用超声波发生器时，所述弹丸运动速度为5～20米/秒；对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件的材料所述表面喷射处理的持续时间在30至1300秒之间；所述表面喷射处理产生的运动静止时，弹丸的数量占据容器底部表面的10％到100％之间变化；所述表面喷射处理产生的运动静止时，弹丸的数量占据容器底部表面的25～35％；
其专用处理设备：在一个隔音腔体25中，包括弹丸22，所述弹丸22为完全球状的，具有确定的尺寸、速度和数量；还包括容器20、固定部件21、循环喷射装置50、回收装置40，其中：待处理金属零件10与固定部件21相连，构成容器20的一个壁面，在容器20中弹丸22由循环喷射装置50驱动、以可变入射角与金属零件10表面反复撞击接触，循环喷射装置50为能对金属零件10表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；重新使用弹丸22使弹丸22的回收装置40安装在容器20上；在一个密封的隔音腔体25中还设有化学或化学热处理装置26；
所述在金属零件10的纳米结构表层中进行物理化学处理装置26，通过容器20处设有的流体循环通道28或者气相反应通道27与容器20相连；在金属零件10的纳米结构表层中进行物理化学处理装置26采用能对金属零件10的表面在氮气氛下进行化学处理的装置，其温度控制在350℃至550℃之间，持续时间为30分钟至10小时之间，通过扩散可形成化合物；在金属零件10的纳米结构表层中进行物理化学处理装置26采用能对待处理零件10实现渗碳、催化和离子存储的装置；所述循环喷射装置50包括喷口51、挠性件54，喷口51置于容器20中，通过挠性件54与空气压缩机或涡轮连接，空气压缩机构或涡轮提供一个动力，使弹丸22经过挠性件54、通过喷口51实现喷射；空气压缩机或涡轮的另一端口与回收装置40相通；在喷口51与挠性件54之间设有旋转轴52，当弹丸22撞击金属零件10表面时、在A、B入射角范围内喷口51实现绕轴旋转；所述喷口51的旋转轴52安装在平行于待处理金属零件10表面、在C和D两个方向或垂直于C、D的G方向上进行平移的活动组件53上；使弹丸22进行运动的循环喷射装置50采用超声波发生器50′，安装在容器20下面，重新使用弹丸22的回收装置40由容器20的腔体构成；还包括对金属零件10待处理区域施加外加机械应力和/或热应力装置，安装在金属零件10上；还包括对金属零件10整体或局部加热的加热装置，安装在金属零件10上或容器20中；还包括一对金属零件10的待处理区域进行局部冷却的冷却装置，安装在金属零件10上或容器20中；所述循环喷射装置50采用空气压缩机或涡轮，其持续时间和速度可调；所述循环喷装置采用的超声波发生器50′，其持续时间、频率和振幅可调；还包括可调整待处理金属零件10表面与喷口或其相对壁板51之间距离d的调整装置；所述待处理金属零件10表面与喷口51之间的距离d为4～40mm；所述待处理金属零件10表面与容器20内对面壁板之间的距离d为4～5mm；所述弹丸按使用者希望的纳米结构表层厚度采用完全球状的，其直径保持在300μm～3mm之间；所述弹丸运动速度为3～100米/秒；当所述表面喷射处理采用超声波发生器时，所述弹丸运动速度为5～20米/秒；对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件的材料所述表面喷射处理的持续时间在30至1300秒之间；当所述循环喷射装置50的运动静止时，所述弹丸22的数量占据容器20底部表面的10％到100％之间；当所述循环喷射装置50的运动静止时，所述弹丸22的数量占据容器20底部表面的25～35％；所述容器20、弹丸22、金属零件10、固定部件21、回收装置40、循环喷射装置50封闭在一个隔音腔体25中；所述容器20、弹丸22、金属零件10、固定部件21、回收装置40、循环喷射装置50和化学或化学热处理装置26封闭在一个隔音腔体25中。
实施例1
本发明方法是在金属零件上进行表面处理，获得纳米结构表层，具体步骤为：
1)在确定的持续时间里，以确定的速度、确定的距离、相同撞击点、可变入射角和限定数量的并可长期重复使用的完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行一种喷射处理；
2)移动撞击点位置、重复步骤1)，使撞击点覆盖金属零件的全部待处理表面；
3)当实施所述步骤1)、2)的同时，在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理。
其专用处理设备为：如图1所示，在一个隔音腔体25中，包括弹丸22，所述弹丸22为完全球状的，具有确定的尺寸、速度和数量；还包括容器20、固定部件21、循环喷射装置50、回收装置40，其中：待处理金属零件10与固定部件21相连，构成容器20的一个壁面，在容器20中弹丸22由循环喷射装置50驱动、以可变入射角与金属零件10表面反复撞击接触，循环喷射装置50为能对金属零件10表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；重新使用弹丸22使弹丸22的回收装置40安装在容器20上；本实施例容器20为杯状物；在一个密封的腔体中还设有化学或化学热处理装置，它可在金属零件10上取得确定的物理化学性能。
所述循环喷射装置50包括喷口51、挠性件54，喷口51置于容器20中，通过挠性件54与空气压缩机构或涡轮连接，空气压缩机构或涡轮提供一个动力，使弹丸22经过挠性件54、通过喷口51实现喷射；空气压缩机构或涡轮的另一端口与回收装置40相通；在喷口51与挠性件54之间设有旋转轴52，当弹丸22撞击金属零件10表面时，在A、B入射角范围内喷口51实现绕轴旋转，所述A、B入射角范围的选择应使喷射的弹丸22能覆盖金属零件10的全部表面；本实施例所述喷口5 1的旋转轴52安装在平行于待处理金属零件10的表面、可在C和D两个方向及垂直于C、D的G方向上进行平移的活动组件53上；为了覆盖整个表面，它可按照一个曲折的轨迹同金属零件10的表面进行面对面的移动，在移动过程中它进一步改变了弹丸22相对于待处理金属零件10表面的喷射入射角，实现在同一撞击点、以可变入射角的喷射，以便使金属零件10在随机方向上产生塑性变形，并在一定的温度下形成纳米结构；本发明使金属零件10保持原位置，通过固定部件21实现喷口51的平移和旋转，用固定部件21调整喷口51到金属零件10表面的距离，调整范围在4～40mm；为了在容器20的腔体中使用较少数量的弹丸22，容器20内还装有弹丸22的快速回收、开口朝上的回收装置40，其空间形状是圆锥形或半球形；因弹丸22的重力有利于回收，位于这个区域中的出口200可通过一个挠性件54把弹丸22引向喷口51。
本发明通过喷射生成纳米结构的原理是借助投射喷口51使完全球状的弹丸22进行运动；喷口51在A和B角度方向可以绕轴旋转，其中A和B方向的角度范围包括了能使指弹丸22撞击到待处理金属零件10的全部表面的角度；因此，在运动过程中，弹丸22可根据不同的和变化的入射方向多次地撞击金属零件10表面的每个点，每次撞击都会在金属或合金的晶粒内部产生塑性变形，并形成一个随机的晶体学取向，金属零件10的表面材料在一定的温度下发生再结晶。
根据本发明，形成纳米结构的工艺可以通过两种方法来改善：
首先，选择的用于撞击待处理金属零件10表面的弹丸22应是完全球状的，具有高质量、和限定数量，例如，选择滚动轴承的钢珠。根据弹丸的质量，通过一台抛射弹丸的快速循环喷射装置50来限定弹丸的数量。
使用完全球状的钢制(或用其它材料)弹丸22可避免应力集中的发生及在待处理零件上产生损伤。因此采用本发明的方法，弹丸撞击材料时可在材料表面产生形成纳米结构所需的塑性变形，重复进行各个方向的塑性变形可使金属的晶粒尺寸减小到纳米尺度。
其次，本发明方法的专用处理设备要不断地改变喷射入射角以达到取得随机入射角处理的作用，采用循环喷射装置50从一个固定点开始、沿各种喷射方向扫掠过整个金属零件10表面，本实施例在喷口51与挠性件54之间设有旋转轴52，从旋转轴52确定位置开始，喷口51在A和B角度范围内实现绕轴旋转，使弹丸22能撞击金属零件10全部表面；在容器20中弹丸22由循环喷射装置50驱动，以实现可变入射角形式与金属零件10的表面反复撞击接触。
传统的喷丸处理方法不能取得足够厚度的纳米结构表层。实际上，传统的喷丸处理方法借助于喷枪来喷射弹丸，在处理时弹丸不能立即重新使用，所以所用丸的质量较差，特别是不是完全球状的弹丸易引起损伤。此外，弹丸的喷射方向恒定不变，无法实现各个方向上的塑性变形。值得注意的是，在所有的传统喷丸设备中都有一个弹丸回收系统，尽管弹丸的数量很多(几十到几百公斤)，但不能马上使用。这样，处理温度就不一定合适。本发明回收装置40经容器20底部通向循环喷射装置50，实现了弹丸22的自动回收和立即重新使用。
实施结果表明：
本发明在无外加应力的状态下对金属零件10进行表面加工，可获得具有20到50μm厚度的纳米结构表层。对于不同的金属(如铁、钛、铝、铜、铌、钴等)及其合金材料，本发明方法中不同参数的选择：
所述金属零件10表面与其相对喷口51间的距离为4～40mm；所述弹丸22的直径：在3至10毫米的范围内选择；当通过循环喷射的运动静止时，弹丸22的数量占据容器20底部表面的10％到100％之间；表面处理的持续时间：30～1300秒之间；弹丸速度为5～100米/秒。
弹丸22尺寸不同所需的持续时间不相同，持续时间越长，纳米结构表层的厚度就越大，直至纳米结构表层厚度增加到不再改变时，才达到饱和的持续时间。本发明纳米结构表层厚度确定值的取得可以通过经验，或是通过给定金属零件10的材料的数学模拟。然而，当持续时间大于纳米结构表层厚度确定值所对应的饱和持续时间时，纳米结构表层的厚度就会减少，这种现象是由于弹丸22在待处理金属零件10表面上的撞击妨碍了其材料散热造成的，或者说从某一个界线开始，金属晶粒尺寸的增大就是热效应的结果；
按照本发明形成纳米结构方法选择参数，其一般原则是弹丸22的动能越大，在材料深层产生应力水平就越高。通过在金属零件10表面上的撞击时释放的动能和弹丸22与金属零件10的撞击产生发热而引起机械强度的变化可定义出动能的上限。
为了取得很大的纳米结构表层或减少处理的持续时间，本发明可优化其它的参数。例如：通过弹丸22将动能传送到金属零件10的表面而实现表面处理时，弹丸22的硬度起重要作用。另外，本发明的进一步改进为，喷口51可固定，但金属零件10可转动，目的是通过随机和不同方向上的撞击实现在一个点上的处理；本实施例所述金属零件10也可安装在容器20的一个壁面上。
在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理本实施例采用一个(或多个)化学或化学热处理的扩散或气相处理(PVD，CVD)设备26，在金属零件表面形成纳米结构时或形成纳米结构后进行物理化学处理；本实施例在容器20处设有流体循环通道28，或者气相反应通道27，所述通道与化学或化学热处理的扩散或气相处理(PVD，CVD)设备26相连。
本发明通过弹丸22运动形成纳米结构的过程可在一种能形成目标化合物的气体介质中进行，这种气体能在弹丸撞击时改变材料的机械性能或表面的化学成分。如图1所示，扩散或雾化装置26(用点画线标明)位于隔音腔体25中，用以实现对金属零件10表面进行一种在氮气下的化学热处理。扩散或雾化装置26通过气相反应通道27作为循环通道。因此，根据待处理金属零件10的物理化学特征，为了避免氧化，前期可在惰性气氛中处理金属零件10，后期由扩散选择性地形成化合物，可使金属零件10取得令人感兴趣的机械、物理或化学特性。在处理过程中，由于晶粒间界面倍增，在金属零件10的处理表面上形成的纳米结构可引起扩散速率的改变。这些界面构成了更多的纳米通道，使有几个原子尺度量级的化合物得以扩散。这是化合物的一种最好的渗透。
因此，当金属零件10按本发明事先形成纳米结构或在采用形成纳米结构方法的同时，可采用化学热处理在金属零件10的表面通过扩散形成新的化合物。
作为例子，图5A和图5B示出离子渗氮温度分别为550℃和350℃的渗氮率分布曲线。金属零件10经过550℃、两小时的渗氮处理后，在处理表面存在纳米结构的厚度内，曲线显示出实测的渗氮率，根据本发明形成纳米结构处理方法，处理的曲线完全符合对一个预处理表面实施的测量，如图5A所示。表面形成纳米结构的处理已有可能在大约20μm的厚度上取得纳米结构；其混合处理后测得的曲线与一个未形成纳米结构处理表面实施的测量方法相同。由曲线可以看出，按照现有工艺技术，经过550℃渗氮处理后，氮的渗透率在金属零件10的厚度方向上是一致的，并等于5％；而采用本发明形成纳米结构的待处理金属零件10，在相同条件下，已形成纳米结构的厚度上渗氮率高于未处理金属零件的5倍。之后，在金属零件不含有纳米结构的厚度范围内，渗氮率快速下降到现有技术渗氮方法取得的水平。对于疲劳、小行程疲劳(微振磨损)和接触疲劳来说，这种处理有可能取得更有利的材料微结构。
金属零件10在350℃渗氮两个小时后，处理表面沿厚度方向测量的渗氮率变化曲线分别代表有、无纳米结构的测量结果，如图5B所示。可以看出，本发明表面形成纳米结构的处理已有可能在20μm的厚度上取得纳米结构；按照现有技术工艺，氮的渗透率在金属零件10的厚度上是一致的，并等于1％。这种渗透率很低，应进行改变以满足金属零件表面的机械特性要求。对于按本发明进行形成纳米结构预处理的金属零件10，渗氮率要高于未进行表面处理的金属零件的17倍。之后，渗氮率在金属零件10含有纳米结构的厚度方向上逐渐下降，在金属零件不再包含纳米结构的深度上，渗氮率等于现有技术渗氮工艺方法取得的值。
值得注意的是，采用现有技术的渗氮工艺方法，反应只是从某个温度(例如接近550℃)才开始在一个纯铁零件上进行的。由此可见，金属零件10的预处理不仅有可能在表面上取得一个好的结构，而且还有可能降低处理温度。在350℃的情况下，采用本发明形成纳米结构的金属零件10的渗氮率高于未经处理的金属零件在550℃下的渗氮率。
本发明使采用低处理温度在金属零件10上实施渗氮成为可能，这按照现有工艺技术是不可能的。以前渗氮应在大约550℃时进行，在这个温度对金属零件进行处理可能引起材料的变形。而对金属零件来说精密的几何形状是极其重要的，如此的变形常常是不允许的，因此难以按以前的工艺方法进行渗氮。采用按发明形成纳米结构处理方法进行纳米化预处理后再进行渗氮，使降低处理温度、减小或消除零件的变形成为可能，从而使得精密零件能够进行渗氮，这按以前的工艺是绝对做不到的。
另外，按本发明形成纳米结构处理方法进行预处理也有可能减少处理的持续时间。实际上，纳米结构和(特别是)纳米扩散通道的存在允许在零件的浅表层中的化合物扩散得更快。
本发明所述对材料可以实现的渗氮方法可以扩展到所有使用材料扩散性能的表面化学处理、表面物理化学处理及表面工程技术。因此，当金属零件按本发明预先形成纳米结构时，即当零件在十几至几百微米的厚度上含有一层纳米结构时，金属材料中的渗碳法和碳氮共渗法等表面处理及催化过程或离子储存等动力学过程都会有很大程度的改变。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
当希望取得从几十到几百个微米厚度的纳米结构表层时，本实施例待处理金属零件10的表面处理是在外加机械应力状态下进行。
如图2A、2B所示，为本发明待处理金属零件10的表面处于受外加应力的状态下，采用一种固定部件21将金属零件10固紧。其固定部件21由一个底板21.2构成，压板法兰接头21.1装在底板21.2上，金属零件10紧靠着插入在零件10和底板21.2之间的保护垫块21.3上，穿过底板21.2和垫块21.3的贯通孔A21.21和B21.31的一根杆21.4给由法兰盘21.2固定住的金属零件10施加一个力，所述贯通孔A21.21处设有螺纹，杆21.4与底板21.2上的贯通孔A21.21拧紧安装的同时取得所述压力。然后将所述具有机械应力的金属零件10连同固定部件21一起安装在容器20上，作为容器20的一个壁面。
本发明没有限定实现外加应力的方式，但是各种方式均有可能在金属零件10的一个或多个地方同时采用。因此，可以考虑用多个杆21.4在多个地方施加不同的应力来取得不同厚度的纳米结构，以获得与各个点处采用的外加应力成正比的纳米结构。
如图3A、3B所示，为本发明在有外加应力状态下调整设备的实施方案，在金属零件10各个端部上的牵拉式外加应力装置有可能使金属零件10处于外加应力状态。例如，这种牵拉式外加应力装置可由一个上部平台31、一个下部平台32和三个分别隔开120°的用于调整距离的螺杆螺栓33构成，通过牵拉使金属零件10的端部与每个平台相连接。例如，金属零件10由入口穿过每个平台，并在入口处与每个平台紧密接触，再用螺钉紧固，形成衬套结构，将带有金属零件10的衬套结构置入容器20中；如图3B所示，平台配有允许弹丸22循环和喷射的入丸口321；本实施例在用螺钉紧固金属零件10时，可在金属零件10上获得一牵拉式外加应力。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
当希望取得从几十到几百个微米厚度的纳米结构表层时，本实施例待处理金属零件10的表面处理是在外加热应力状态下进行，其加热温度控制在使金属零件或合金晶粒发生长大的温度以下。在待处理的金属零件10的上下表面以不同的温度T1、T2进行加热处理，经过这样加热后产生的温差使材料内部产生一个热应力，在所述热应力作用下，受到弹丸22撞击的金属零件10表面上可获得厚度完全相同的纳米晶组织，或者在局部获得厚度不同的纳米晶组织，其加热装置可以是利用辐射、传导或对流的加热设备，将其安装在金属零件10上，或在容器20中或在容器20外。
本发明结合外加应力和加热处理在表面取得理想的结果是可以达到的。为了有利于位于材料深层晶粒的碎化，本发明也可采用外加应力和/(或)提高温度的方法，使材料的深层在各个方向上都更容易产生塑性变形。
实施结果表明：
在无外加应力的状态下对金属零件10进行表面加工，本发明实验结果获得了具有20μm厚度的纳米结构表层，在有外加应力和/或加热状态下则可获得几百微米(或更大)厚度的纳米结构表层。在外加应力值和提高温度之间选取一项合适方案，有可能实现纳米结构表层厚度的增加。
实施例4
与实施例3不同之处在于：
还包括金属零件10的待处理区域进行局部的冷却装置，安装在容器20中或金属零件10上；本实施例用制冷装置给容器20或金属零件10冷却以减小或消除发热产生的不利影响；实际上，正如先前所述，温度的提高有使金属晶粒尺寸增大的趋势，则材料不易产生裂纹，所以温度控制要适中。
实施例5
与实施例1不同之处在于：使弹丸22进行运动的循环喷射装置50采用超声波发生器50′，重新使用弹丸22的回收装置40由容器20的腔体构成，超声波发生器50′振动的频率、幅度和持续时间可调；超声波发生器的声波及其弹丸的相互作用使弹丸按随机的方向进行运动，所述弹丸采用完全球状的弹丸。
如图4所示，为本发明在一个隔音腔体25中通过超声波发生器50′用超声波形成纳米结构的设备示意图，其中固定部件21和待处理金属零件10的结构为如图2所示的带有外加应力作用的应力装置结构类型，在本实施例中，超声波发生器50′采用的激振器(Sonotrode)表面上为容器20的下表面，容器20的上部入口被一个配有金属零件10的固定部件21封闭；就容器20而言，用固定部件21调整金属零件10受到冲击的一面和构成弹丸22发射表面的容器20底部201之间距离d。
采用超声波使弹丸运动的原理是，通过一个按确定的频率工作的超声波发生器50′使弹丸22进行运动，超声波发生器50′把速度和振幅确定的运动传送到容器20；激振器运动的振幅可在5到900微米之间选择，本实施例为300微米；频率在10～40KHz之间选择，本实施例采用40KHz；所述表面喷射处理产生的运动静止时，弹丸22的数量占据容器20底部表面的25～35％；速度在5～20米/秒的弹丸22在获得杯状物20运动的能量后，按可变的入射角多次撞击在金属零件10的表面，每次撞击都会在金属零件10的材料或合金的晶粒内部产生一种塑性变形；弹丸22撞击金属零件10而失去能量后，会重新掉落在容器20的壁板上，并在按照物理定律确定的随机方向上获得一个新的速度。其中容器20可以由其它形状的容器来代替。
振动发生装置50为超声波发生器50′时，超声波发生器50′的振动频率在10～40KHz之间选择，完全球状的弹丸的直径按照所希望纳米结构表层的厚度在300μm至3mm之间选择；对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件的材料，所述表面处理的持续时间在30至1300秒之间，具体按照用户所希望获得的纳米结构的厚度来确定。金属零件10表面与容器20内对面壁板之间的距离为4～5mm；当通过超声波进行的运动静止时，弹丸22的数量占据容器20底部表面的30％；
为了取得很大的纳米结构表层或减少处理的持续时间，本发明可优化其它的参数。例如：当采用一台使弹丸22进行运动的超声波发生器50′作为循环喷射装置50时，通过声波产生的声压也影响着形成纳米结构的过程。
本发明超声波发生器50′，也可以同图3A、3B所示的牵拉式外加应力装置连接在一起使用，或配合加热装置加入外加热应力。
实施结果表明：
为了取得大约20μm厚度的纳米结构表层，待处理金属零件10的表面通过超声波暴露在直径大约为3mm的弹丸22下、2至3分钟即可形成纳米结构。同样地，为了取得大约10μm厚度的纳米结构表层，需要待处理金属零件10的表面通过超声波暴露在直径300μm的弹丸22下、大约400秒才能得到纳米结构。必要时，总的时间可以延长，或根据材料特性及要求缩短。对于确定的弹丸22尺寸和确定的材料来说，形成纳米结构的持续时间可由使用者所希望获得的纳米结构的厚度而定。
显然，对于对本发明所用工艺有兴趣的人们来说，本发明有多种其它形式的实施方式，正如本发明要求所述，这些都没有脱离发明应用的范围。因此，所述实施方式只是展示几个实例，它们可结合本发明的权利要求在一定的范围内进行调整，发明不只限定在上面给出的细节上。
Claims (38)
1.一种形成纳米结构处理方法，其特征在于：在金属零件的表面区域上进行表面处理，以取得纳米结构表层，具体步骤为：
1)在确定的持续时间里，以确定的速度、确定的距离、相同撞击点、可变入射角和限定数量的并可长期重复使用的完全球状弹丸在待处理金属零件的全部表面上进行一种喷射处理；
2)移动撞击点位置、重复步骤1)，使撞击点覆盖金属零件的全部待处理表面；
3)当实施所述步骤1)、2)的同时，在形成纳米结构的表层中进行物理化学处理；
其中：确定的持续时间为30～1300秒；确定的速度为弹丸运动速度，具体为3～100米/秒；确定的距离为弹丸在静止时的外表面与金属零件表面间的距离d，d＝4～40mm。
2.根据权利要求1所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述物理化学处理通过渗氮实现，这种渗氮使待处理的零件在氮气氛下以350℃至550℃之间确定的温度和在30分钟至10小时之间的确定持续时间里进行，通过化学物质扩散形成新的化合物。
3.根据权利要求1所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述物理化学处理为在金属零件的表面结构中进行一种渗碳、催化、离子储存。
4.根据权利要求1所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述表面喷射处理采用空气压缩机或涡轮，提供使弹丸运动的动力，使弹丸按随机方向进行运动。
5.根据权利要求1所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述表面喷射处理采用超声波发生器，超声波发生器的声波及其与弹丸的相互作用使弹丸按随机的方向进行运动。
6.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：在所述表面喷射处理中对待处理的金属零件施加机械应力和/或热应力，其应力值为小于金属零件材料的屈服应力。
7.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：在所述表面喷射处理中对待处理的进行加热，其加热温度控制在使金属零件或合金晶粒发生长大的温度以下。
8.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述表面喷射处理时对金属零件待处理区域进行局部冷却。
9.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述弹丸按使用者希望的纳米结构表层厚度采用完全球状的，其直径保持在300μm～3mm之间。
10.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述弹丸运动速度为3～100米/秒。
11.根据权利要求1或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：当所述表面喷射处理采用超声波发生器时，所述弹丸运动速度为5～20米/秒。
12.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件的材料所述表面喷射处理的持续时间在30至1300秒之间。
13.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述表面喷射处理产生的运动静止时，弹丸的数量占据容器底部表面的10％到100％之间变化。
14.根据权利要求1、4或5所述形成纳米结构处理方法，其特征在于：所述表面喷射处理产生的运动静止时，弹丸的数量占据容器底部表面的25～35％。
15.一种根据权利要求1所述形成纳米结构处理方法的专用处理设备，在一个隔音腔体(25)中，包括弹丸(22)，所述弹丸(22)为完全球状的，具有确定的尺寸、速度和数量；还包括容器(20)、固定部件(21)、循环喷射装置(50)、回收装置(40)，其中：待处理金属零件(10)与固定部件(21)相连，构成容器(20)的一个壁面，在容器(20)中弹丸(22)由循环喷射装置(50)驱动、以可变入射角与金属零件(10)表面反复撞击接触，循环喷射装置(50)为能对金属零件(10)表面、在一个相同撞击面上以多个入射角进行多次撞击的装置；重新使用弹丸(22)使弹丸(22)的回收装置(40)安装在容器(20)上；在一个密封的隔音腔体(25)中还设有化学或化学热处理装置(26)。
16.根据权利要求15所述专用处理设备，其特征在于：所述在金属零件(10)的纳米结构表层中进行物理化学处理装置(26)，通过容器20处设有的流体循环通道(28)或者气相反应通道(27)与容器(20)相连。
17.根据权利要求16所述专用处理设备，其特征在于：在金属零件(10)的纳米结构表层中进行物理化学处理装置(26)采用能对金属零件(10)的表面在氮气氛下进行化学处理的装置，其温度控制在350℃至550℃之间，持续时间为30分钟至10小时之间，通过扩散可形成化合物。
18.根据权利要求16所述专用处理设备，其特征在于：在金属零件(10)的纳米结构表层中进行物理化学处理装置(26)采用能对待处理零件(10)实现渗碳、催化和离子存储的装置。
19.根据权利要求15所述专用处理设备，其特征在于：所述循环喷射装置(50)包括喷口(51)、挠性件(54)，喷口(51)置于容器(20)中，通过挠性件(54)与空气压缩机或涡轮连接，空气压缩机构或涡轮提供一个动力，使弹丸(22)经过挠性件(54)、通过喷口(51)实现喷射；空气压缩机或涡轮的另一端口与回收装置(40)相通；在喷口(51)与挠性件(54)之间设有旋转轴(52)，当弹丸(22)撞击金属零件(10)表面时、在A、B入射角范围内喷口(51)实现绕轴旋转；所述喷口(51)的旋转轴(52)安装在平行于待处理金属零件(10)表面、在C和D两个方向或垂直于C、D的G方向上进行平移的活动组件(53)上。
20.根据权利要求15所述专用处理设备，其特征在于：使弹丸(22)进行运动的循环喷射装置(50)采用超声波发生器(50′)，安装在容器(20)下面，重新使用弹丸(22)的回收装置(40)由容器(20)的腔体构成。
21.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：还包括对金属零件(10)待处理区域施加外加机械应力和/或热应力装置，安装在金属零件(10)上。
22.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：还包括对金属零件(10)整体或局部加热的加热装置，安装在金属零件(10)上或容器(20)中。
23.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：还包括一对金属零件(10)的待处理区域进行局部冷却的冷却装置，安装在金属零件(10)上或容器(20)中。
24.根据权利要求19所述专用处理设备，其特征在于：所述循环喷射装置(50)采用空气压缩机或涡轮，其持续时间和速度可调。
25.根据权利要求20所述专用处理设备，其特征在于：所述循环喷装置采用的超声波发生器(50′)，其持续时间、频率和振幅可调。
26.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：还包括可调整待处理金属零件(10)表面与喷口或其相对壁板(51)之间距离d的调整装置。
27.根据权利要求19所述专用处理设备，其特征在于：所述待处理金属零件(10)表面与喷口(51)之间的距离d为4～40mm。
28.根据权利要求26所述专用处理设备，其特征在于：所述待处理金属零件(10)表面与喷口(51)之间的距离d为4～40mm。
29.根据权利要求20所述专用处理设备，其特征在于：所述待处理金属零件(10)表面与容器(20)内对面壁板之间的距离d为4～5mm。
30.根据权利要求26所述专用处理设备，其特征在于：所述待处理金属零件(10)表面与容器(20)内对面壁板之间的距离d为4～5mm。
31.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：所述弹丸按使用者希望的纳米结构表层厚度采用完全球状的，其直径保持在300μm～3mm之间。
32.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：所述弹丸运动速度为3～100米/秒。
33.根据权利要求15或20所述专用处理设备，其特征在于：当所述表面喷射处理采用超声波发生器时，所述弹丸运动速度为5～20米/秒。
34.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件的材料所述表面喷射处理的持续时间在30至1300秒之间。
35.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：当所述循环喷射装置(50)的运动静止时，所述弹丸(22)的数量占据容器(20)底部表面的10％到100％之间。
36.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：当所述循环喷射装置(50)的运动静止时，所述弹丸(22)的数量占据容器(20)底部表面的25～35％。
37.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：所述容器(20)、弹丸(22)、金属零件(10)、固定部件(21)、回收装置(40)、循环喷射装置(50)封闭在一个隔音腔体(25)中。
38.根据权利要求15、19或20所述专用处理设备，其特征在于：所述容器(20)、弹丸(22)、金属零件(10)、固定部件(21)、回收装置(40)、循环喷射装置(50)和化学或化学热处理装置(26)封闭在一个隔音腔体(25)中。
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