CN1458288A - 一种金属材料表面纳米化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明金属材料表面纳米化领域，具体地说是固液双相射流冲击金属材料表面纳米化方法。本发明利用高压液体发生设备产生的高压液体通过喷嘴产生固液双相射流，携带硬质颗粒(球形)以100～1000m/s速度连续轰击金属材料表面使之纳米化，喷射距离10～1000mm、液体压力10～30MPa、液体流量11～22l/min，硬质颗粒粒径50纳米～5mm。本发明适用泛围广，可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀，另外本发明装置简单、成本低、生产效率高、无污染。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是一种固液双相射流冲击金属材料表面纳米化方法。
背景技术
材料的失效大多发生在材料的表面，表面的结构性能直接影响材料的综合服役性能。金属材料表纳米化对提高金属部件的使用寿命非常重要。利用表面纳米化方法来改善金属材料的表面结构性能，特别是疲劳性能、腐蚀性能和摩擦磨损性能，可以提高金属材料的综合服役性能，延长材料的使用寿命。
金属材料表纳米化是近年开始的一个新领域，中国专利申请(申请号：99122670.4)《一种金属材料表面纳米层的制备方法》，是以超声波发生器的高频率振动(～20kHz)为动力，将硬质材料小球(直径小于15毫米)碰撞金属试样的表面使之纳米化，其不足之处是：该技术对形状复杂的金属部件与大平面金属设备无法进行表面纳米化处理，这是该技术工程应用受限制的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用泛围广的固液双相射流冲击金属材料表面纳米化方法，可以使形状复杂或大平面金属材料表面纳米化，其操作简单灵活，所用装置便于携带易于实现外场作业。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是利用高压液体发生设备产生的高压液体通过喷嘴产生固液双相射流，携带硬质颗粒(球形)以100～1000m/s速度连续轰击金属材料表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离10～1000mm、液体压力10～30MPa、液体流量11～22 l/min，硬质颗粒粒径50纳米～5mm；
所述液体为水，所述硬质颗粒为Al2O3、SiO2、BN、WC或钢球等。
本发明原理是：根据流体力学原理，利用高压液体发生设备产生的高压液体携带硬质颗粒，通过喷嘴将液体的压力能转变高度聚集的液体射流动能轰击金属材料表面，射流可以使颗粒加速到100～1000m/s，硬质颗粒通过射流以很高的动能连续轰击金属表面引起表面严重塑性变形产生大量位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，最终形成纳米晶。
本发明优点如下：
1.本发明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、晶粒尺寸为二十纳米左右的显微组织，材料表面纳米结构的厚度范围为0.5～50微米，其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.本发明可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理。
3.本发明装置简单、能耗少、成本低、生产效率高、无污染。
附图说明
图1为固液双相射流冲击金属材表面纳米化装置结构示意图。
图2为实施例1样品处理后的TEM明场像。
图3为实施例1样品处理后的TEM暗场像。
图4为实施例1样品处理后的TEM衍射环。
图5为实施例2样品处理后的TEM明场像。
图6为实施例2样品处理后的TEM暗场像。
图7为实施例2样品处理后的TEM衍射环。
图8为实施例3样品处理后的TEM明场像。
图9为实施例3样品处理后的TEM暗场像。
图10为实施例3样品处理后的TEM衍射环。
具体实施方式
实施例1
表面纳米化装置采用上海汉诺威贸易发展有限公司的Kranzle高压清洗机3250TST或者3270TST，如图1所示，固相管1与液相管2两路汇合至喷嘴3，固相管1与送丸器相连，液相管2与高压水发生设备相连，发动机功率为7.5KW，基体材料为316L不锈钢试片，硬质颗粒采用Al2O3(500微米左右)；
利用高压水发生设备产生的高压水通过喷嘴3产生固液双相射流携带硬质颗粒(球形)以700m/s速度连续轰击基体材料4表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离500mm、水压力22MPa、水流量为13 l/min、轰击时间3分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相均匀细化，样品处理后的TEM明场像、暗场像及衍射环分别见图2、3、4。
实施例2
与实施例1不同之处是：
颗粒采用钢球(0.5～1mm)，工艺参数如下：
喷射距离300mm、水压力25MPa、水流量为15 l/min，固液双相射流速度750m/s，轰击时间4分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相，样品处理后的TEM明场像、暗场像及衍射环分别见图5、6、7。
实施例3
与实施例1不同之处：
基体材料为20#钢试片，颗粒采用钢球(4mm左右)，工艺参数如下：
喷射距离800mm、水压力30MPa、水流量为11 l/min，固液双相射流速度900m/s，轰击时间4分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相，样品处理后的TEM明场像、暗场像及衍射环分别见图8、9、10。
实施例4
与实施例1不同之处：
基体材料为20#钢试片，颗粒采用WC(80微米左右)，工艺参数如下：
喷射距离50mm、水压力17MPa、水流量为20 l/min，固液双相射流速度200m/s，轰击时间5分钟，经X射线衍射、原子力显微镜测试，基体表面晶粒尺寸由平均18微米至平均20纳米，纳米结构层厚度为35微米。
实施例5
与实施例1不同之处：
基体材料为20#钢试片，颗粒采用SiO2(50微米左右)，工艺参数如下：
喷射距离10mm、水压力10MPa、水流量为22 l/min，固液双相射流速度100m/s，轰击时间5分钟，经X射线衍射、原子力显微镜测试，基体表面晶粒尺寸由平均18微米至平均18纳米，纳米结构层厚度为15微米。
另外，本发明所述硬质颗粒还可采用BN。
为了防止在操作过程中的金属腐蚀，可以在上述水介质中添加缓蚀剂，避免金属表面的腐蚀，缓蚀剂可采用带锈防锈剂，按质量百分比计，由5％工业磷酸(比重1.7)、0.8％工业磷酸锌(或者氧化锌)、0.8％工业酒石酸、0.1％工业硫脲以及余量的水混制而成，加入量为1～5％，其添加方法简单，不需要附加设备，添加量少，不改变液体介质的基本性质。
Claims (3)
1.一种金属材料表面纳米化方法，其特征在于高压液体通过喷嘴产生固液双相射流，携带硬质颗粒以100～1000m/s速度连续轰击金属材料表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离10～1000mm、液体压力10～30MPa、液体流量11～22 l/min，硬质颗粒粒径50纳米～5mm。
2.按照权利要求1所述金属材料表面纳米化方法，其特征在于：液体为水。
3.按照权利要求1或2所述金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述硬质颗粒为Al2O3、SiO2、BN、WC或钢球。
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2002
- 2002-05-17 CN CN 02109696 patent/CN1209473C/zh not_active Expired - Fee Related
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