CN203754772U - 离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置。钢丸离心喷射器高速旋转，钢丸由入口进入喷射器内，经离心加速后从喷口高速喷出；高速钢丸密集轰击喷射室内的工件，使其表面剧烈塑性变形，形成纳米层，喷射过的钢丸经钢丸收集装置收集后从喷射室底部的出口流出，经钢丸循环装置再输送至喷射器内，实现喷射作业的连续循环。本实用新型较容易地将钢丸加速至150m/s，实现对金属表面的高能轰击；钢丸粒径的选择范围宽0.5mm～20mm；可在金属表面获得1～2mm厚的变形层，其晶粒呈梯度变化，表层可形成纳米晶；钢丸喷射量可调，从每分钟几公斤至每分钟一百多公斤，可在短时间内使金属材料表面纳米化，生产效率高，具有产业化价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，属于金属材料表面纳米化领域。
背景技术
大部分金属材料的破坏都由其表面开始。研究表面，如果在金属材料表面制备出具有一定厚度的纳米晶粒层，就有可以改变金属材料表面的物理、化学和力学性能，延缓材料的破坏，提高材料或机械零件的机械性能，如疲劳强度、抗腐蚀性及耐磨性等，延长材料或机械零件的使用寿命。
获得纳米结构层的方法有沉积法，表面涂覆法和表面自身纳米化法。金属表面自身纳米化得到的纳米结构表层与基体之间无明显界面，材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，纳米表层与基体之间的结合力强，在使用过程中不会发生剥层和分离。因此，金属表面纳米化更具有开发应用的潜力,也得到了人们更加广泛的关注。以下是涉及金属表面纳米化方法及装置已申请的专利。
专利一“超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法”（公开号 CN 1410560A）提供一种利用压缩气体携带硬质微粒，通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面诱导金属表面纳米化的方法，硬质微粒以很高的动能轰击金属表面引起严重变形导致晶粒细化，最终形成纳米晶。
专利二“金属表面纳米化的方法”（公开号 CN 101012493A）中将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并使该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生塑性变形，导致晶粒细化，并最终实现金属材料表面纳米化。
专利三“冲击波加速纳米颗粒诱导金属表面纳米化的装置”(公开号CN102212818 A）中将金属纳米颗粒用压缩空气加速，在激光辐射作用下，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力不断再推进已经具有一定速度的纳米颗粒，使其以最大速度冲击金属材料表面，并嵌入金属材料表面形成纳米层，实现金属材料的表面纳米化。
专利四“击打加速金属圆球撞击表面纳米化的装置”(公开号CN102586557 A）中通过击打加速金属球撞击金属表面，使金属表面发生剧烈塑性变形，获得晶粒尺寸梯度分布的特殊微观组织，实现了材料表面纳米化改性。
以上四个专利存在以下缺陷：
专利一利用压缩气体携带硬质微粒高速轰击金属材料表面进行纳米化，该方法的主要缺陷为需要对纳米化处理的金属表面进行表面抛光处理。因此，该方法在工业生产中使用不太方便，要增加因抛光处理所带来的成本。
专利二用刚性圆柱体端面旋转挤压金属材料表面使其纳米化适用于大面积板材或具有大面积平面零件的表面纳米化处理，不适用于尺寸不大或表面复杂的零件纳米化处理，其工业应用具有一定的局限性。
专利三使用激光诱导冲击加速纳米颗粒，使纳米颗粒嵌入金属表面从而实现金属材料的表面纳米化，该方法过程复杂，设备投资高，工业化生产受到一定限制。
专利四通过击打加速金属球（钢丸）撞击金属表面，实现金属表面纳米化，其缺陷为通过击打的方法加速金属球不易使钢丸达到较高的速度，这样不能提高金属表面纳米化的生产效率。如果击打力太大会减少钢丸的使用寿命，增加使用成本。
发明内容
本实用新型提供了一种离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，采用离心加速喷射钢丸轰击金属材料或零件表面，使金属表面发生剧烈塑性变形，获得晶粒尺寸梯度分布的微观组织，实现材料表面纳米化。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，包括钢丸离心喷射器、钢丸循环传送装置和钢丸收集装置；所述的钢丸循环传送装置将钢丸收集装置收集到的钢丸传送到钢丸离心喷射器内，其中，所述的钢丸离心喷射器包括离心喷射器本体、防护罩、驱动装置、定向环和料斗，所述的离心喷射器本体为圆盘结构，其第一底面的中心设置有圆形凹槽，以圆形凹槽为中心的圆盘上等间隔圆周设置有多个供钢丸通过的通槽，所述的通槽一端开口与圆形凹槽的槽边齐平，另一端开口与圆盘的外边缘齐平；所述的通槽沿长度方向被环形凹槽分成从内至外的内通槽和外通槽两部分，所述的通槽、圆形凹槽、环形凹槽的槽深相同且其深度不小于钢丸的直径；所述的离心喷射器本体的第二底面上设置驱动装置，通过驱动装置使得离心喷射器本体进行转动；所述的驱动装置的外壁上设置有防护罩，所述的防护罩将所述的离心喷射器本体包裹在其内腔中，所述的防护罩一侧上设置通孔；所述的定向环为环形，设置在紧邻环形凹槽槽底的正上方，并与所述的防护罩连接；所述的定向环上设置有供钢丸通过的开口；所述的料斗设置在防护罩上，料斗的出料口位于离心喷射器本体的圆形凹槽的正上方。
所述的装置还设置有封闭室。
所述的钢丸循环传送装置将钢丸收集装置收集到的钢丸传送到所述的钢丸离心喷射器的料斗内。
所述的离心喷射器本体第一底面上还设置有盖板，所述的盖板与离心喷射器本体固定连接。
所述的圆形凹槽的直径D3不小于钢丸直径的三倍，优选5-10个钢丸直径。
所述的内通槽与环形凹槽的连接处的宽度d2不小于1个钢丸直径，优选1-1.5个钢丸直径。
所述的外通槽与环形凹槽的连接处的宽度d3不小于1个钢丸直径，优选2-4个钢丸直径。
所述的定向环到环形凹槽内环的距离设为D1，1个钢丸直径≤D1≤1.5个钢丸直径。
所述的定向环到环形凹槽外环的距离设为D2，1个钢丸直径≤D2≤1.5个钢丸直径。
所述的定向环的开口大小d1优选1-1.5个钢丸直径。
所述的钢丸循环传送装置包括电机及传动装置。
所述的驱动装置包括轴承、转轴及电机。
所述的钢丸收集装置包括倾斜设置在钢丸离心喷射器下方的收集板。
所述的防护罩一侧上设置的通孔与通槽的开口位于同一水平面上。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
1、轰击能量大
采用离心加速装置可较容易地将钢丸加速至150m/s，实现对金属表面的高能轰击。
2、能得到晶粒梯度变化的变形层
钢丸粒径的选择范围宽0.5mm～20mm。选用不同粒径的钢丸轰击，金属表面的变形层深度和晶粒细化程度不同，因此选用不同粒径的钢丸对金属表面组合轰击，可在金属表面获得1～2mm厚的变形层，其晶粒呈梯度变化，表层可形成纳米晶。这种晶粒梯度变化的变形层与材料基体结合力强，表面的纳米晶组织赋予了材料和零件具有特殊的性能。
3、能量密度大，生产效率高
离心加速喷射钢丸，钢丸喷射量可调，从每分钟几公斤至每分钟一百多公斤。因此，喷射的能量密度大，可在短时间内使金属材料表面纳米化，生产效率高，具有产业化价值。
4、设备简单，便于工业化生产
离心加速喷射钢丸，设备简单，主要由钢丸离心喷射器、喷射室、钢丸回收装置等部分组成，设备结构简单，喷射前工件表面无需处理，便于实现工业化生产。
附图说明
图1为本实用新型离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置原理示意图。
图2为本实用新型离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置原理示意图。
图3为本实用新型离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置原理示意图。
图4为本实用新型离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置结构示意图。
图5为本实用新型离心喷射器本体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式作具体说明，但不用来限制本实用新型。
图1-3为采用离心加速喷射钢丸轰击金属材料或零件表面，实现表面纳米化的原理及装置。其组成为：钢丸离心喷射器1由驱动装置9驱动，钢丸收集装置2包括倾斜设置在钢丸离心喷射器1下方的收集板；钢丸循环装置3包括电机及传动装置，将钢丸收集装置2收集到的钢丸传送到钢丸离心喷射器1内；工件15为被加工的金属材料或零件。
图2-3中，还包括有喷射室14，喷射室14为一封闭的空间，喷射室14底部有钢丸出口。
工作原理：钢丸离心喷射器1高速旋转，钢丸由入口进入钢丸离心喷射器1内，经离心加速后从喷口高速喷出；高速钢丸密集轰击喷射室14内的工件15，使其表面剧烈塑性变形，形成纳米层；为使工件表面得到均匀的纳米层，在轰击过程中工件15不断转动或移动；喷射过的钢丸经钢丸收集装置2收集后从喷射室14底部的出口流出，经钢丸循环装置3再输送至钢丸离心喷射器1内，实现喷射作业的连续循环。
具体的，如图4-5中，本发明的轰击金属表面纳米化装置包括钢丸离心喷射器1、钢丸循环传送装置3和钢丸收集装置2和喷射室14；钢丸循环传送装置3由电机及皮带传动装置组成。钢丸收集装置2由倾斜设置在喷射室14内、钢丸离心喷射器1和工件15下方的收集板组成。其中，钢丸离心喷射器1由离心喷射器本体7、防护罩8、驱动装置9、定向环10和料斗11组成。钢丸循环传送装置3将钢丸收集装置2收集到的钢丸传送到所述的钢丸离心喷射器1的料斗11内。离心喷射器本体7为圆盘结构，其第一底面的中心设置有圆形凹槽4，设钢丸的直径为d，圆形凹槽4的直径D3优选5d～10d，本实施中，钢丸的直径d取值为8mm，此时圆形凹槽4的直径D3取值为50mm，如果圆形凹槽4的直径D3过小，则钢丸的流量减少，钢丸离心喷射器1单位时间内的钢丸喷射量将减少，如果D3过大，会使离心喷射器本体7的直径增大，将增加钢丸离心喷射器1的体积和重量。以圆形凹槽4为中心的圆盘上圆周等间隔设置有供钢丸通过的12个通槽5，通槽5一端开口与圆形凹槽4的槽边齐平，另一端开口与圆盘的外边缘齐平，离心喷射器本体7的通槽5可以是弧线型的，也可以是直线型的。弧线型的通槽可以提高钢丸的出口速度，但不论通槽5的旋向为左旋还是右旋，其旋向必须要与转动方向一致。 通槽5沿长度方向被环形凹槽6分成从内至外的内通槽和外通槽两部分，内通槽与环形凹槽6的连接处的宽度d2优选d～1.5d，本实施例d2取值为10mm，d2不能小于钢丸的直径，否则钢丸不能通过，钢丸离心喷射器1不能工作；d2过大将使通槽5宽度增加，喷射钢丸时发散角变大。外通槽与环形凹槽6的连接处的宽度d3优选2d～4d，本实施例中d3取值为20mm。通槽5、圆形凹槽4、环形凹槽6的槽深相同且其深度不小于钢丸的直径d，本实施例中槽深为20mm。为了防止钢丸发生轴向弹射，离心喷射器本体7第一底面上还设置有盖板13，盖板13通过螺钉与离心喷射器本体7固定连接。离心喷射器本体7的第二底面上设置驱动装置9，通过驱动装置9使得离心喷射器本体7发生转动，驱动装置9由轴承、转轴及电机组成。驱动装置9的外壁上设置有防护罩8，防护罩8将离心喷射器本体7包裹在其内腔中，为了方便钢丸从离心喷射器本体7喷出并击打到工件15上，防护罩8一侧上设置通孔12，通槽6的开口与通孔12位于同一水平面上，喷射室14与防护罩8位于通孔12的一侧固定。定向环10为环形，设置在紧邻环形凹槽6槽底的正上方，并与防护罩8连接；定向环10上设置有供钢丸通过的开口，开口大小d1优选d～1.5d，本实施例中该开口大小d1取值为10mm。定向环10到环形凹槽6内环的距离设为D1， D1优选d～1.5d，本实施例中D1取值为10mm；定向环10到环形凹槽6外环的距离设为D2，D2优选d～1.5d，本实施例中D2取值为10mm。料斗11设置在防护罩8上，料斗11的出料口位于圆形凹槽4的正上方。
本实用新型钢丸离心喷射器1的工作过程为：工作时，离心喷射器本体7高速旋转，钢丸由料斗11进入离心喷射器本体7圆形凹槽4内，在离心力作用下，钢丸径向运动。由于受到定向环10的阻挡，钢丸不能沿任意方向从通槽5高速飞离离心喷射器本体7，这时，钢丸紧靠着定向环10内壁，在环形凹槽6内做圆周运动。当钢丸运动到定向环10上开口时，在离心力作用下，钢丸从通槽5定向飞出。由于离心喷射器本体7高速旋转，钢丸在离心喷射器本体7内运动时不断被加速，将以很高的速度射出。改变离心喷射器本体7的旋转速度，可以改变钢丸的喷射速度。
Claims (10)
1.一种离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，包括钢丸离心喷射器(1)、钢丸循环传送装置(3)和钢丸收集装置(2)；所述的钢丸循环传送装置(3)将钢丸收集装置(2)收集到的钢丸传送到钢丸离心喷射器(1)内，其中，所述的钢丸离心喷射器(1)包括离心喷射器本体(7)、防护罩(8)、驱动装置(9)、定向环(10)和料斗(11)，所述的离心喷射器本体(7)为圆盘结构，其第一底面的中心设置有圆形凹槽(4)，以圆形凹槽(4)为中心的圆盘上等间隔圆周设置有供钢丸通过的多个通槽(5)，所述的通槽(5)一端开口与圆形凹槽(4)的槽边齐平，另一端开口与圆盘的外边缘齐平；所述的通槽(5)沿长度方向被环形凹槽(6)分成从内至外的内通槽和外通槽两部分；所述的离心喷射器本体(7)的第二底面上设置驱动装置(9)，通过驱动装置(9)使得离心喷射器本体(7)进行转动；所述的驱动装置(9)的外壁上设置有防护罩(8)，所述的防护罩(8)将所述的离心喷射器本体(7)包裹在其内腔中，所述的防护罩(8)一侧上设置通孔(12)；所述的定向环(10)为环形，设置在紧邻环形凹槽(6)槽底的正上方，并与所述的防护罩(8)连接；所述的定向环(10)上设置有供钢丸通过的开口；所述的料斗(11)设置在防护罩(8)上，料斗(11)的出料口位于离心喷射器本体(7)的圆形凹槽(4)的正上方。
2.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的纳米化装置还设置有封闭室(14)。
3.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的离心喷射器本体(7)第一底面上还设置有盖板(13)，所述的盖板(13)与离心喷射器本体(7)固定连接。
4.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的通槽(5)、圆形凹槽(4)、环形凹槽(6)的槽深相同且其深度不小于1个钢丸直径；所述的圆形凹槽(4)的直径D3不小于3个钢丸直径。
5.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述通槽(5)的内通槽与环形凹槽(6)的连接处的宽度d2为1～1.5个钢丸直径；所述通槽(5)的外通槽与环形凹槽(6)的连接处的宽度d3为2～4个钢丸直径。
6.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于， 所述的定向环(10)到环形凹槽(6)内环的距离设为D1，1个钢丸直径≤D1≤1.5个钢丸直径；所述的定向环(10)到环形凹槽(6)外环的距离设为D2，1个钢丸直径≤D2≤1.5个钢丸直径。
7.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于， 所述的定向环(10)的开口大小d1为1～1.5个钢丸直径。
8.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的钢丸循环传送装置(3)将钢丸收集装置(2)收集到的钢丸传送到所述的钢丸离心喷射器(1)的料斗(11)内。
9.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的钢丸循环传送装置(3)包括电机及传动装置；所述的驱动装置(9)包括轴承、转轴及电机；所述的钢丸收集装置(2)包括倾斜设置在钢丸离心喷射器(1)下方的收集板。
10.根据权利要求1所述的离心加速喷射轰击金属表面纳米化装置，其特征在于，所述的防护罩(9)一侧设置的通孔(12) 与通槽(6)的开口位于同一水平面上。
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