DE60102932T2 - Mechanisches verfahren und vorrichtung zum erzeugen von nanostrukturen - Google Patents

Mechanisches verfahren und vorrichtung zum erzeugen von nanostrukturen Download PDF

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INST OF METAL RES I M R SHENYA
Universite de Technologie de Troyes
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen auf Metallteilen und eine mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen.
  • Nanokristalline Materialien sind durch feinste Körner von weniger als 100 nm in wenigstens einer Dimension gekennzeichnet. Diese Materialien werden durch herkömmliche Verfahren wie beispielsweise IGC (inert gas condensation and consolidation) durch Kondensation und Konsolidierung in einem Edelgas, SPD (severe plastic deformation) durch starke plastische Verformung usw. hergestellt. Diese Verfahren besitzen den Nachteil, dass sie Materialien erzeugen, die nicht frei von Porosität und Kontamination sind und keine ausreichende Größe für industrielle Anwendungen aufweisen.
  • Das Verfahren der Erfindung hat zum Ziel, auf der Oberfläche des Materials eine Schicht aus demselben Material zu erzeugen, die Körner von einigen dutzend Nanometern als Bestandteile aufweisen, die das, was gewöhnlich als Schicht aus nanometrischen Mikrostrukturen oder aus Nanostrukturen bezeichnet wird, bilden.
  • Im Stand der Technik sind herkömmliche Granulierverfahren bekannt. Das Granulieren der Oberfläche eines beispielsweise metallischen Materials besteht darin, Geschosse, beispielsweise Kugeln kleiner Abmessung, bei Geschwindigkeiten zwischen 5 und 100 m/s auf diese Oberfläche zu schleudern. Gemäß diesem Stand der Technik werden die Kugeln mittels eines verdichteten Luftstrahls geschleudert. Nach diesem Granulierverfahren werden die Kugeln nicht unmittelbar wieder verwendet, sondern durchlaufen vor dem erneuten Beschicken der Strahldüse eine Wiederaufbereitungsvorrichtung, oder das Fehlen einer Wiederaufbereitungsvorrichtung im Verfahren verbraucht eine große Menge von Kugeln. Außerdem ist jeder auf das Teil auftreffende Strahl unidirektional unter einem für eine gegebene Oberfläche bestimmten Winkel. Ferner ist während des Granulierens eine ständige Reinigung des Teils erforderlich, um eine homogene Oberflä che zu erhalten. Zudem zeigen die erzielten Ergebnisse, dass die Oberfläche des behandelten Teils keine oder wenige Nanostrukturen enthält. Die einzige Bedeutung des herkömmlichen Granulierverfahrens beruht auf der Tatsache, dass Kugelgeschwindigkeiten erzielt werden können, die größer als beim Schleudern von Kugeln mit Ultraschall sind. Tatsächlich ermöglicht das Schleudern von Kugeln durch Ultraschall das Erzielen von Kugelgeschwindigkeiten zwischen 5 und 20 m/s, während beim Granulieren mit Druckluftpistole Kugelgeschwindigkeiten zwischen 10 und 100 m/s erzielt werden können.
  • Außerdem ist aus der Patentanmeldung FR 2 689 431 oder dem russischen Patent 1 391 135 ein Verfahren zur Ultraschall-Härtung von Metallteilen bekannt, das darin besteht, Kugeln in einem geschlossenen Volumen für eine vorgegebene Zeit mittels eines Ultraschallgenerators in Bewegung zu versetzen. Nach dem Verfahren der französischen Patentanmeldung kann in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit entweder eine bestimmte Rauheit oder eine bestimmte Tiefe der gehärteten Schicht erzielt werden. Um eine gleichmäßige Behandlung zu erreichen muss die Geschwindigkeit der Bewegung des Schwingers einen bestimmten Wert, bis zu dem eine Kalthärtung der Oberfläche stattfindet und ab dem die Behandlung nicht zu steuern ist, was bedeutet, dass welcher Punkt der Oberfläche auch immer getroffen wird, dieser nur einmal getroffen wird, einhalten. Die in jener Patentanmeldung in Betracht gezogenen Bewegungsgeschwindigkeiten betragen nur einige dutzend Zentimeter pro Sekunde und die Amplituden des Schwingers 100 μm. Somit kann durch das herkömmliche Arbeitsverfahren keine Schicht erzeugt werden, ohne eine nanometrische Struktur über eine große Tiefe zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, indem sie ein Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen vorschlägt, durch das durch eine mechanische Vorrichtung, die eine begrenzte Menge von Kugeln in einem geschlossenen Volumen verwendet, auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Teils eine Nanostrukturschicht in einer gegebenen Dicke erhalten werden kann. Dieses Verfahren wird auch als Oberflächen-Nanokristallisierung durch Kugelschrotung (ball-milling) bezeichnet.
  • Diese erste Aufgabe wird durch ein mechanisches Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen, um auf einer Oberfläche eines Metallteils eine Nanostrukturschicht mit definierter Dicke zu erhalten, erfüllt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
    • – einen Schritt, bei dem eine Menge von vollkommen sphärischen Kugeln 22, die in einem Behälter angeordnet sind, der für die Größe der Kugeln geschlossen ist, wobei wenigstens eine seiner Wände das zu bearbeitende Teil 10 trägt oder bildet, in eine Drehbewegung versetzt werden;
    • – einen Schritt, bei dem der Behälter, der das zu bearbeitende Teil trägt oder bildet, in eine Schwingungsbewegung in einer zu der Ebene der Kreisbewegung senkrechten Richtung versetzt wird;
    wobei die Geschwindigkeit der Kreisbewegung sowie die Frequenz und die Amplitude der Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften der Kugeln bestimmt werden, um diesen eine für die Erzeugung von Nanostrukturen auf dem Material des zu bearbeitenden Teils ausreichende kinetische Energie zuzuführen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen vorzuschlagen, durch die durch eine mechanische Vorrichtung, die eine begrenzte Menge von Kugeln in einem geschlossenen Volumen verwendet, eine Nanostrukturschicht in einer gegebenen Dicke erhalten werden kann. Diese Aufgabe wird dank der mechanischen Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen auf einem Metallteil erfüllt, die wenigstens einen für die Größe der Kugeln geschlossenen Behälter, der eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln mit bestimmter Abmessung enthält, und ein Mittel zum Verbinden des Behälters mit Mitteln zur Erzeugung von an den Behälter übertragenen Schwingungen umfasst, wobei die Gesamtheit aus Behälter und Schwingungsmitteln über Dämpfungsmittel (31) an einer Platte (30) angebracht ist, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer zu der Richtung der an den Behälter übertragenen Schwingungsbewegung senkrechten Ebene dreht.
  • Die Erfindung mit ihren Merkmalen und Vorteilen wird deutlicher beim Lesen der Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erstellt worden ist, worin:
  • 1 eine Schnittansicht des Prinzips des mechanischen Nanostrukturverfahrens gemäß der Erfindung zeigt;
  • 2A in einem Schnitt eine Ausführungsvariante der Erfindung mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
  • 2B in einem Schnitt eine Draufsicht der Beilagescheibe zeigt, die in der Ausführungsvariante der Erfindung verwendet wird, mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
  • 3A eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
  • 3B eine Draufsicht der unteren Platte der zweiten Ausführungsvariante der Erfindung mit Beanspruchungen zeigt;
  • die 4A und 4B die Kurven, die den Gehalt und die Penetration des Stickstoffs während einer Behandlung durch Ionitrieren in einem nach dem erfindungsgemäßen mechanischen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen bearbeiteten Teil bei einer Temperatur von 550 bzw. 350°C wiedergeben, zeigen.
  • Das Prinzip der Erfindung liegt darin, die Oberfläche eines Metallteils zu bearbeiten um einerseits die mechanischen Eigenschaften des Metallteils zu verändern und andererseits die Diffusionseigenschaften innerhalb der Oberflächenschicht der bearbeiteten Fläche.
  • Im Stand der Technik sind die mechanischen Eigenschaften von nanometrischen Mikrostrukturen bzw. Nanostrukturen wohlbekannt. Tatsächlich ist die mechanische Festigkeit des Teils umso größer, je kleiner die Metallkörner sind. Somit zielt die gegenwärtige Forschung darauf ab, Herstellungsverfahren zu entwickeln, durch die Teile erhalten werden, die nur aus Nanostrukturen gebildet sind. Die Aufgabe der Erfindung ist eine ganz andere; sie besteht darin, durch ein Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen (das später beschrieben wird) eine Oberflächenschicht von Nanostrukturen zu verwirklichen, die der Oberfläche des Teils beispielsweise gewünschte mechanische Eigenschaften verleiht, wobei diese ausreicht, um die für das Teil angestrebten Eigenschaften (Dauerhaltbarkeit, Verschleißfestigkeit, Reibfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit) zu garantieren.
  • Um eine Nanostruktur zu erhalten, muss die Größe der Metallkörner auf der Oberfläche des Teils herabgesetzt werden. Anfänglich haben die Körner bei einem Teil, das beispielsweise aus Reineisen hergestellt ist, eine Abmessung in der Größenordnung von 100 μm. Am Ende der Bearbeitung gemäß der Erfindung liegt die Größe der Körner nur noch im Bereich von einigen dutzend Nanometern.
  • Um die Größe der Körner herabzusetzen, muss auf der Oberfläche des Materials eine plastische Verformung in allen Richtungen und in zufälliger Weise, je nach Prozessen, mit Vorrichtungen, die auf 1 bezogen definiert sind, hervorgerufen werden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen durch Kugelschrotung. Das Prinzip der Erzeugung von Nanostrukturen durch Kugelschrotung (ball-milling) nach 1 ist, eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln (22) in eine bestimmte Bewegung und Geschwindigkeit zu versetzen, um ihnen eine kinetische Energie zuzuführen, die sie unter veränderlichen Einfallwinkeln und mit einer zur Bildung von Nanostrukturen ausreichenden Energie auf denselben Punkt der zu bearbeitenden Oberfläche auftreffen lässt.
  • Die zum Auftreffen auf die zu bearbeitende Oberfläche (10) gewählten Kugeln (22) sind vollkommen sphärisch und von hoher Qualität. Die gewählten Kugeln (22) sind beispielsweise Kugellagerkugeln. Unter Berücksichtigung ihrer Qualität erfolgt ihre Verwendung in bestimmter Menge. Durch die Verwendung von vollkommen sphärischen Kugeln (22) aus Stahl, Glas oder Keramik kann die örtlich begrenzte Akkumulation von Beanspruchungen vermieden werden, was beim Auftreffen der Kugel das Material beschädigen würde. Diese vollkommene sphärische Gestalt ermöglicht folglich das Hervorrufen einer plastischen Verformung der Oberfläche des Materials während des Bildungsprozesses der Nanostrukturschicht. Die Wiederholung der plastischen Verformungen in mehreren Richtungen bringt dann eine Fraktionierung der Körner des Metalls oder der Legierung des zu bearbeitenden Teils und folglich ein Herabsetzen ihrer Größen mit sich. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 1 gezeigt ist, ist aus einem Arm oder einer Platte (32) gebildet, die wenigstens ein Ende einer Schale trägt; in der Figur sind im vorliegenden Fall zwei Schalen mit zwei Enden des Arms (32) gezeigt. Dieser Arm (32) ist mit einer Struktur (35) verbunden, die einen nicht sichtbaren Motor umfasst, der eine Achse (33) antreibt, an der ein träges Teil (34) angebracht ist, das beispielsweise aus einer Masse in Form eines Kreisausschnitts (34) gebildet ist. Der Motor, der die Achse (33) antreibt, verleiht dieser trägen Masse eine Geschwindigkeit V, die unter Berücksichtigung der Unsymmetrie Schwingungen innerhalb der Struktur (35) erzeugt, die durch ihre Verbindung mit dem Arm (32) übertragen werden. Diese Schwingungen werden durch den Arm (32) auf jede Schale (20a, 20b) übertragen. Diese Struktur, die aus dem Trägheitssystem und wenigstens einer Schale gebildet ist, ist auf einer oder mehreren Dämpfungsvorrichtungen (31a, 31b) angebracht; im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Dämpfungsmittel unter jeder Schale angeordnet, derart, dass sich eine Bewegungssymmetrie ergibt und die erzeugten Schwingungen leichter zu steuern sind. Diese Dämpfungsmittel (31a, 31b) sind von einer Platte (30) getragen, die durch nicht gezeigte Drehantriebsmittel in eine Drehbewegung in einer Richtung versetzt wird. Die durch das Trägheitssystem (33, 34, 35) an die Schalen (20a, 20b) übertragene Schwingungsbewegung besitzt eine Richtung, die zur Ebene der Platte im wesentlichen senkrecht ist oder, anders gesagt, zur Drehachse der Platte parallel ist. Die Frequenz der Schwingungen sowie die Amplitude dieser Schwingungen ergeben sich in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Platte, derart, dass den Kugeln eine bestimmte Geschwindigkeit verliehen wird, die ihnen das Erlangen einer zur Schaffung von Nanostrukturen ausreichenden kinetischen Energie ermöglicht. Die Kugeln (22) ziehen ihre Energie aus der Bewegung der Schale und treffen eine Vielzahl von Malen unter veränderlichen und mehrfachen Winkeln auf die Oberfläche des Teils (10) auf, wobei jeder Stoß eine plastische Verformung der Körner bewirkt, die aus einem Konglomerat von Stoff- oder Gemengemolekülen gebildet sind. Die Kugel, die ihre Energie beim Kontakt mit dem Teil (10) verloren hat, prallt auf die Wände der Schale (20) zurück, um eine neue Geschwindigkeit in einer Richtung zu erlangen, die, vom Teil aus gesehen, zufällig erscheint, jedoch durch die physikalischen Gesetze bestimmt ist. Die Schale (20) kann entweder durch das Teil (10a), das dann einen Deckel für die Schale bildet, oder durch einen Deckel (203a, 203b), an dem das Teil (10a) befestigt ist, geschlossen sein. Die letzte Variante ermöglicht in dem durch die Schale (20a bzw. 20b) und deren angeordneten Deckel (203a bzw. 203b) gebildeten Behälter das Ausbilden einer Öffnung (204a bzw. 204b), die das Herstellen eines Vakuums in diesem Behälter ermöglicht, um die Bewegung der Kugeln zu begünstigen.
  • In einer Ausführungsvariante kann das Teil an einer ganz anderen Wand der Schale befestigt sein und eventuell die Funktion der Schale übernehmen, wenn sich die Geometrie des Teils dazu anbietet. Ebenso kann zwischen der Schale und dem Deckel ein Zwischenraum ausgebildet sein, sofern dieser die Größe der Kugeln nicht übersteigt. Somit wird der Behälter als für die Größe der Kugeln geschlossen wahrgenommen.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Trägheitssystem (33, 34, 35) durch eine Sonotrode ersetzt sein, die Schwingungen ausreichender Amplitude und Frequenz auf den Arm (32) überträgt. In diesem Fall könnten sehr wohl Frequenzen verwendet werden, die im Ultraschallbereich liegen, wobei die Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Gesamtmasse und der Größe der Kugeln bestimmt wird, um die Übertragung einer ausreichenden kinetischen Energie auf die Kugeln zu ermöglichen.
  • Außerdem kann die Oberfläche des zu bearbeitenden Teils, wenn eine Nanostrukturdicke von einigen dutzend bis mehreren hundert Mikrometern erzielt werden soll, einer Beanspruchung unterworfen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante, die in 2 gezeigt ist, kann die zu bearbeitende Oberfläche einer mechanischen Beanspruchung unterworfen werden, indem beispielsweise das Teil (10) mit geeigneten Greifmitteln (21) eingespannt wird. Diese Greifmittel sind beispielsweise durch eine Druckplatte (21.2) gebildet, an der Spannbrücken oder -flansche (21.1) angebracht sind, die das Teil gegen eine schützende Beilagescheibe (21.3), die zwischen das Teil (10) und die Druckplatte (21.2) gelegt ist, einzuspannen. Ein Stift (21.4), der durch die Bohrungen (21.21 und 21.31) der Druckplatte (21.2) und der Beilagescheibe (21.3) führt, übt eine Kraft auf das Teil (10) aus, das durch die Brücken oder Flansche (21.1) gehalten wird. Die Druckkraft kann erhalten werden, indem der Stift (21.4) mit Gewinde versehen wird und in ein in der Druckplatte (21.2) ausgebildetes Innengewindeloch (21.21) geschraubt wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern umfasst jede Form, die das Ausbringen von mechanischen Beanspruchungen an einer oder an mehreren Stellen eines Teils ermöglicht. So können mehrere Stifte vorgesehen sein, die an mehreren Stellen unterschiedliche Beanspruchungen aufbringen, um verschiedene, zur Stärke der an den jeweiligen Punkten aufgebrachten Beanspruchungen proportionale Nanostrukturdicken zu erzielen.
  • In der in 3A gezeigten Ausführungsform der einer Beanspruchung unterworfenen Vorrichtung kann das Teil an jedem seiner Enden durch Zugmittel einer Beanspruchungen unterworfen werden. Diese Mittel sind beispielsweise aus einer oberen Patte (31) und einer unteren Platte (32) gebildet, die um einen Abstand getrennt gehalten sind, der durch drei schraubbare Spannstangen (33), die um 120° versetzt sind und die die Enden des mit jeder Platte fest verbundenen Teils durch Zug beanspruchen, einstellbar ist. Das Teil kann beispielsweise jede Platte durch Öffnungen durchdringen und sich an der Oberfläche jeder Platte abstützen, wobei die Oberfläche mit Hilfe von Ringen, die Schultern bilden und mit den Enden des Teils durch eine quer zum Ring verlaufende Stellschraube fest verbunden sind, nach außen gewendet wird. Die Platten, insbesondere jene (32), die zur Emissionszone der Geschosse gerichtet ist, sind, wie 3B zeigt, mit Aussparungen (321) versehen, die die Zirkulation und das Schleudern der Kugeln ermöglichen.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante kann die aufgebrachte Beanspruchung thermisch sein. So wird die zu bearbeitende Oberfläche entweder insgesamt erwärmt, um eine gleichmäßige Dicke von nanokristallinen Strukturen über die gesamte Oberfläche des dem Beschuss mit Kugeln unterworfenen Teils zu erreichen, oder lokal erwärmt, um Schwankungen der Dicke von nanokristallinen Strukturen zu erhalten. In diesem Fall sind in der Schale oder auf dem Teil oder in der Schallwand der Maschine Heizmittel durch Strahlung oder Leitung installiert.
  • Ferner ist es möglich, die mechanische Beanspruchung und die Erwärmung der zu bearbeitenden Oberfläche zu kombinieren, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Das Ziel des Unterwerfens einer Beanspruchung und/oder der Erhöhung der Temperatur ist es, zu ermöglichen, eine plastische Verformung unter der Schicht und in allen Richtungen hervorzurufen, um die Fraktionierung der tiefer liegenden Stoffkörner zu begünstigen.
  • Die gegenwärtig durchgeführten Versuche bei der Bearbeitung eines keiner Beanspruchung unterworfenen Teils ließen die Verwirklichung von Nanostrukturschichten zu, die von 20 μm bis 50 μm mit Unterwerfung einer Beanspruchung gehen. Es werden also Nanostrukturen in einer Dicke von mehreren hundert Mikrometern erhalten. Die Vergrößerung der Dicke der Nanostrukturschicht kann verwirklicht werden, indem ein Kompromiss zwischen der Stärke der Beanspruchung und der Temperaturerhöhung gesucht wird. Ebenso ist die Wahl der ver schiedenen an dem Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen beteiligten Parameter wichtig.
  • So haben die Experimente gezeigt, dass die erhaltene Nanostrukturschicht umso größer ist, je mehr der verwendeten Kugeln einen großen Durchmesser in einem Abmessungsbereich in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern bis einigen Millimetern haben. Ebenso ist die Bearbeitungsdauer an der Bestimmung der Dicke der Nanostruktur beteiligt. Es ist festgestellt worden, dass bis zu einem bestimmten Zeitwert, der in Abhängigkeit von der Größe der Kugeln verschieden ist, die Dicke der Nanostrukturschicht umso mehr zunimmt, je länger die Dauer ist, und zwar bis zu einer Dauer, die der Sättigung entspricht und keine Veränderung der Dicke der Schicht mehr zulässt. Dieser bestimmte Wert wird entweder durch Versuch oder durch ein mathematisches Modell für ein gegebenes Material erhalten. Wenn die Dauer jedoch größer als der bestimmte Wert wird, nimmt die Dicke der Nanostrukturschicht ab. Dieses Phänomen ist dadurch bedingt, dass das Auftreffen der Kugeln auf die zu bearbeitende Oberfläche eine Freisetzung von Wärme hervorruft, die das Material erwärmt. Nun hat die Wärme aber ab einem gewissen Schwellenwert zur Folge, dass die Größe der Metallkörner zunimmt.
  • Das Grundprinzip der Wahl der Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Nanostrukturen ist, dass das in der Unterschicht erzeugte Beanspruchungsniveau um so höher ist, je größer die kinetische Energie der Kugeln ist. Die Obergrenze der kinetischen Energie ist insbesondere durch die Erwärmung, die die Freisetzung dieser kinetischen Energie der Kugeln beim Stoß auf die zu bearbeitende Oberfläche mit sich bringt, und durch die mechanische Festigkeit der Kugeln und des Materials, aus dem das Teil gebildet ist, definiert. Dieser Nachteil kann abgeschwächt oder beseitigt werden, indem der Behälter oder das Teil mit einem Kühlsystem abgekühlt wird. Tatsächlich führt die Temperaturerhöhung, wie oben erläutert worden ist, dazu, die Metallkörner wachsen zu lassen, jedoch darf das Material keine Risse bekommen.
  • Es kann weiteren Parametern Rechnung getragen werden, um größere Nanostrukturschichten zu erhalten oder um die Bearbeitungsdauer zu verkürzen. Als Beispiel spielt insbesondere beim Übertragen der kinetischen Energie von der Kugel auf die Oberfläche des Teils die Härte der Kugeln eine Rolle. Ebenso beeinflusst auch der von den Schallwellen erzeugte Schalldruck, wenn ein Ultraschallgenerator verwendet wird, um die Kugeln in Bewegung zu versetzen, den Prozess zur Erzeugung der Nanostruktur. Außerdem kann gemäß der Erfindung die Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall oder das Schleudern von Strahlen von Kugeln in einem Medium, das ein bestimmtes spezifisches Gas enthält, das das mechanische Verhalten oder die chemische Zusammensetzung der Oberfläche des Materials bei den Stößen der Kugeln verändert, verwirklicht werden.
  • Um beispielhalber eine Nanostrukturschicht von etwa 20 μm zu erhalten, muss die zu bearbeitende Oberfläche für 2 bis 3 min einer Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall mit Kugeln von 3 mm Durchmesser ausgesetzt werden. Ebenso muss die zu bearbeitende Oberfläche, um eine Nanostrukturschicht von etwa 10 μm zu erhalten, für etwa 400 s einer Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall mit Kugeln von 300 μm Durchmesser ausgesetzt werden. Außerdem hat die Untersuchung gezeigt, dass die Dauer der Bearbeitung durch Nanostrukturerzeugung bei klassischen metallischen Materialien (Fe, Ti, Ni, Al, Cu usw.) zwischen 30 und 1300 s liegt. Die insgesamt erforderliche Zeit kann in Abhängigkeit von dem Material verlängert oder verkürzt werden. Der Durchmesser der verwendeten Kugeln liegt zwischen 300 μm und 3 mm. Tatsächlich wird bei einer gegebenen Größe der Kugeln und einem gegebenen Material die Dauer der Nanostrukturerzeugung in Abhängigkeit von der vom Benutzer gewünschten Dicke der Nanostrukturen bestimmt.
  • Außerdem kann der gesamte Mechanismus, falls sich dies aus schalltechnischen Gründen oder aus Sicherheitsgründen notwendig erweist, innerhalb einer Schallwand oder einem schallisolierenden Behälter (25) angeordnet werden, durch die die Geräusche verringert werden können, derart, dass diese den für die Arbeit vorgeschriebenen Normen entsprechen. Dieser Behälter (25) kann abgedichtet und mit (in punktierten Linien gezeigten) Mitteln (26) zur Diffusion oder Verdampfung versehen sein, durch die eine oder mehrere chemische oder thermochemische Bearbeitungen, die nachstehend beschrieben werden, ausgeführt werden können. In diesem Fall ermöglicht die Schale dank ihres Zirkulationskanals (204a, 204b) die Durchdringung der chemischen oder thermochemischen Bearbeitungen. So kann es je nach physikalisch-chemischen Eigenschaften des zu bearbeitenden Teils sinnvoll sein, dieses entweder in einer ersten Zeitspanne unter Vakuum oder in einer Inertatmosphäre, um beispielsweise die Oxidation zu verhindern, und danach in einer zweiten Zeitspanne durch Diffusion der spezifischen chemischen Verbindungen, durch die die für das Teil wichtigen mechanischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften erhalten werden können, zu bearbeiten. Die Erzeugung von Nanostrukturen auf der bearbeiteten Oberfläche des Teils (10) bewirken eine Modifikation des Verlaufs der Diffusion in die bearbeitete Zone durch Vervielfachung der Anzahl von Grenzflächen zwischen den Körnern, wobei diese Grenzflächen dann lauter nanometrische Kanäle bilden, die die Diffusion der chemischen Verbindungen, die eine Größe im Bereich von einigen Atomen aufweisen, ermöglichen. Dies ermöglicht ein besseres Eindringen der chemischen Verbindungen.
  • So werden alle Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche, die die Diffusion von Verbindungen in die Oberfläche eines Metallteils einsetzen, modifiziert, wenn das Teil zuvor dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wurde oder gleichzeitig dem Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wird.
  • Als Beispiel zeigen die 4A und 4B die Kurven, die die den Gehalt und die Penetration des Stickstoffs während einer Ionitrierung bei einer Temperatur von 550°C bzw. 350°C wiedergeben. Die in 4A gezeigte Kurve entspricht der Messung des Stickstoffgehalts in Abhängigkeit von der Dicke der bearbeiteten Oberfläche, wenn das Teil für zwei Stunden bei einer Temperatur von 550°C eine Nitrierung erfahren hatte. Die in einer Volllinie gezeigte Kurve entspricht einer Messung, die an einer Oberfläche ausgeführt wurde, die zuvor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen bearbeitet wurde. Durch die Bearbeitung der Oberfläche durch Nanostrukturerzeugung konnte eine Nanostruktur in einer Dicke von etwa 20 μm erhalten werden. Die strichpunktierte Kurve entspricht der Messung, die an einer nicht durch Nanostrukturerzeugung bearbeiteten Oberfläche ausgeführt wurde. Anhand der strichpunktierten Kurve lässt sich feststellen, dass im Stand der Technik der bei der Bearbeitung durch Nitrierung bei 550°C eingedrungene Gehalt an Stickstoff in der Dicke des Teils gleichmäßig ist und 5 % beträgt. Bei dem zuvor durch Nanostrukturerzeugung gemäß der Erfindung bearbeiteten Teil ist der Stickstoffgehalt unter denselben Versuchsbedingungen viel höher und entspricht in der Dicke, in der sich die Nanostrukturen gebildet haben, etwa dem Fünffachen des unbearbeiteten Teils. Anschließend, in der Dicke des Teils, die keine Nanostrukturen mehr enthält, nimmt der Stickstoffgehalt bis zu einem Gehalt, der dem nach dem Nitrierverfahren des Standes der Technik erhaltenen Gehalt entspricht, rapide ab. Durch diese Bearbeitung können Materialmikrostrukturen erhalten werden, die gegenüber Werkstoffermüdung, Ermüdung durch kleine Durchfederung (fatigue freeting) und Kontaktermüdung günstiger sind.
  • Die in 4B gezeigte Kurve entspricht der Messung des Stickstoffgehalts in Abhängigkeit von der Dicke der bearbeiteten Oberfläche, wenn das Teil für zwei Stunden bei einer Temperatur von 350°C einer Nitrierung unterzogen wurde. Die durchgezogene Kurve entspricht der Messung, die an einer Oberfläche ausgeführt wurde, die zuvor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wurde. Die strichpunktierte Kurve entspricht der Messung, die an einer Oberfläche ausgeführt wurde, die nicht durch Nanostrukturerzeugung bearbeitet wurde. Durch die Bearbeitung der Oberfläche durch Nanostrukturerzeugung kann eine Nanostruktur in einer Dicke von 20 μm erhalten werden. Es lässt sich feststellen, dass gemäß dem Stand der Technik der Gehalt an Stickstoff in der Dicke des Teils gleichmäßig ist und 1 % beträgt. Dieser Gehalt ist zu gering, um die Eigenschaften der Oberfläche des Teils in ausreichender Weise zu verändern.
  • Bei dem zuvor durch die erfindungsgemäße Nanostrukturerzeugung bearbeiteten Teil ist der Stickstoffgehalt 17-mal größer als der Gehalt des nicht an der Oberfläche bearbeiteten Teils. Anschließend nimmt der Stickstoffgehalt in der Dicke des Teils mit der Nanostruktur langsam ab, um bei einem Gehalt anzukommen, der nach dem Nitrierverfahren des Standes der Technik erhalten wird, wenn die Schicht des Teils keine Nanostrukturen mehr enthält.
  • Es muss angemerkt werden, dass sich das Nitrierverfahren gemäß dem Stand der Technik bei einem Teil aus Stahl oder Kohlenstoff erst ab einer bestimmten Temperatur in der Nähe von 550°C umsetzen lässt. Es lässt sich folglich sagen, dass durch die vorherige Bearbeitung des Teils nicht nur eine gute Struktur an der Oberfläche des Teils erhalten werden kann, sondern auch die Bearbeitungstemperatur gesenkt werden kann, wobei im Fall der Bearbeitung bei 350°C ein Stickstoffgehalt bewahrt werden kann, der höher als jener Gehalt ist, der ohne Bearbeitung durch Nanostrukturerzeugung gemäß der Erfindung erzielt wird.
  • So wird es unter Berücksichtigung des Absenkens der Bearbeitungstemperatur möglich, eine Nitrierung an Teilen auszuführen, die nach dem Stand der Technik keine Nitrierung erfahren könnten. Tatsächlich muss die Nitrierung bei einer Temperatur von etwa 550°C ausgeführt werden; nun aber erleidet das Metallteil bei dieser Temperatur zwangsläufig Verformungen. Bei Teilen, deren geometrische Genauigkeit ausschlaggebend ist, sind solche Verformungen nicht zulässig, was folglich eine Nitrierung nach dem Verfahren des Standes der Technik verbietet. Durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Nanostrukturen vor der Nitrierung ist es folglich möglich, die Bearbeitungstemperatur zu senken und somit die Verformungen des Teils zu verringern oder zu unterdrücken. Als Folge können Präzisionsteile eine Nitrierung erfahren, was im Stand der Technik nicht möglich war.
  • Ebenso ermöglicht die Bearbeitung im Voraus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen auch das Verkürzen der Dauer der Bearbeitung. Tatsächlich ermöglicht das Vorhandensein von Nanostrukturen und insbesondere der nanometrischen Diffusionskanäle eine schnellere Diffusion der Verbindungen in die Oberflächenschicht des Teils.
  • Was zur Nitrierung dargelegt worden ist, gilt auch für jede Oberflächenbearbeitung oder jedes physikalisch-chemische Oberflächenverfahren, die bzw. das vom Verlauf der Diffusion in die Oberflächenschicht eines Teils abhängt. So werden die Verfahren der Einsatzhärtung, der Katalyse oder der Einlagerung von Ionen in eine metallische Struktur modifiziert, wenn das Teil zuvor dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wird, d. h., wenn es eine nanometrische Mikrostrukturschicht in eine Dicke von einem dutzend oder mehreren dutzend Mikrometern aufweist.
  • So ist das mechanische Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
    • – einen Schritt, bei dem eine Menge von vollkommen sphärischen Kugeln (22), die in einem Behälter angeordnet sind, der für die Größe der Kugeln geschlossen ist, wobei wenigstens eine seiner Wände das zu bearbeitende Teil (10) trägt oder bildet, in eine Drehbewegung versetzt werden;
    • – einen Schritt, bei dem der Behälter, der das zu bearbeitende Teil trägt oder bildet, in eine Schwingungsbewegung in einer zu der Ebene der Kreisbewegung senkrechten Richtung versetzt wird;
    wobei die Geschwindigkeit der Kreisbewegung sowie die Frequenz und die Amplitude der Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften der Kugeln bestimmt werden, um diesen eine für die Erzeugung von Nanostrukturen auf dem Material des zu bearbeitenden Teils ausreichende kinetische Energie zuzuführen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem das zu bearbeitende Metallteil (10) einer mechanischen und/oder einer thermischen Beanspruchung unterworfen wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt der Bearbeitung durch Diffusion chemischer Verbindungen und durch Bildung neuer Materialphasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung in der Nanostrukturschicht während oder nach der Erzeugung der Nanostrukturen.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt die Bearbeitungszeit im Bereich von mehreren Sekunden bis 10 Stunden.
  • In einer weiteren Ausführungsform schwankt die Größe der Kugeln im Bereich von 3 bis 10 mm.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungsschritt eine Nitrierhärtung, die ein Versetzen des zu bearbeitenden Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer bestimmten Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer im Bereich von 30 min bis 10 h umfasst.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungsschritt eine Einsatzhärtung oder eine Katalyse oder eine Einlagerung von Ionen in die Metallstruktur des Teils.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt des Versetzens in eine Schwingungsbewegung durch einen elektronischen Vibrator, dessen Wellen die Bewegung des Behälters in der gewünschten Richtung hervorrufen, ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Vibrator ein Ultraschallgenerator.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt der Durchmesser der vollkommen sphärischen Kugeln (22) je nach gewünschter Dicke der Nanostrukturschicht im Bereich von 300 μm bis 3 mm.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Schleuderdauer für eine bestimmte Kugelgröße, ein bestimmtes Material, aus dem das Teil (10) gebildet ist, und eine gegebene Maschinenkonfiguration in Abhängigkeit von der vom Anwender gewünschten Dicke der Nanostrukturen bestimmt.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt die Schleuderdauer der Kugeln (22) im Bereich von 30 bis 1300 s.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt der Abkühlung des zu bearbeitenden Teils.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s.
  • Außerdem umfasst die mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) wenigstens einen für die Größe der Kugeln geschlossenen Behälter, der eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln mit bestimmter Abmessung enthält, und ein Mittel zum Verbinden des Behälters mit Mitteln zur Erzeugung von an den Behälter übertragenen Schwingungen, wobei die Gesamtheit aus Behälter und Schwingungsmitteln über Dämpfungsmittel (31) an einer Platte (30) angebracht ist, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit dreht.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen der Drehgeschwindigkeit der Platte sowie Mittel zum Einstellen der Frequenz und der Amplitude der Schwingungserzeugungsmittel.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Schwingungserzeugungsmittel ein Ultraschallgenerator.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Schwingungserzeugungsmittel aus einer Trägheitsbaueinheit (34) gebildet, die längs einer zu der Drehachse der Platte senkrechten Achse (33) rotatorisch angetrieben wird, wobei die Trägheitsbaueinheit mit dem Mittel (32) für die Verbindung mit dem Behälter (20a, 20b) mechanisch verbunden ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel, die das Metallteil (10) einer Beanspruchung unterwerfen, und/oder Mittel zum Erhitzen des Teils (10).
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen des Abstandes (d) zwischen der Emissionsquelle der Kugeln und dem zu bearbeitenden Teil.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt der Abstand in der Größenordnung von 4 bis 40 mm.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen der Emissionsdauer der Kugeln und ihrer Geschwindigkeit.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Kugeln in einer solchen Menge vorhanden, dass sie dann, wenn die Mittel zur Versetzung in Bewegung durch Ultraschall inaktiv sind, eine Oberfläche belegen, die mehr als 30 % der Oberfläche der Sonotrode beträgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Ausführen einer lokalen Abkühlung der bearbeiteten Zone des Teils.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zur Bearbeitung durch Diffusion chemischer Zusammensetzungen in die erzeugte Nanostrukturschicht während oder nach der Erzeugung der Nanostrukturen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Versetzen der zu bearbeitenden Zone des Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer gegebenen Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer im Bereich von 30 min bis 10 h.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einsatzhärten, Carbonitrierhärten oder zu anderen thermochemischen Bearbeitungen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung in einem schallisolierenden Behälter (25) eingeschlossen.
  • Auf dem Fachgebiet versierten Personen ist klar, dass die vorliegende Erfindung Ausführungsformen in zahlreichen anderen spezifischen Formen zulässt, ohne sich vom Anwendungsbereich der Erfindung, wie er beansprucht ist, zu entfernen. Folglich sind die angegebenen Ausführungsformen lediglich als Veranschaulichung zu betrachten und können in dem durch den Umfang der beigefügten Ansprüche definierten Bereich modifiziert werden.

Claims (28)

  1. Mechanisches Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen, um auf einer Oberfläche eines Metallteils eine Nanostrukturschicht mit definierter Dicke zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: – einen Schritt, bei dem ein Behälter, in dem eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln (22) angeordnet ist, in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei der Behälter für die Größe der Kugeln geschlossen ist und wobei wenigstens eine seiner Wände das zu bearbeitende Teil (10) trägt oder bildet; – einen Schritt, bei dem der Behälter, der das zu bearbeitende Teil trägt oder bildet, in eine Schwingungsbewegung in einer zu der Ebene der Kreisbewegung senkrechten Richtung versetzt wird; wobei die Geschwindigkeit der Kreisbewegung sowie die Frequenz und die Amplitude der Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften der Kugeln bestimmt werden, um diesen eine für die Erzeugung von Nanostrukturen auf dem Material des zu bearbeitenden Teils ausreichende kinetische Energie zuzuführen.
  2. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt umfasst, bei dem das zu bearbeitende Metallteil (10) einer mechanischen und/oder einer thermischen Beanspruchung unterworfen wird.
  3. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt der Bearbeitung durch Diffusion chemischer Verbindungen und durch Bildung neuer Materialphasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung in der Nanostrukturschicht während oder nach der Erzeugung der Nanostrukturen umfasst.
  4. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungszeit im Bereich von mehreren Sekunden bis 10 Stunden liegt.
  5. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Kugeln im Bereich von 3 bis 10 mm schwankt.
  6. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsschritt eine Nitrierhärtung ist, die ein Versetzen des zu bearbeitenden Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer bestimmten Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer im Bereich von 30 min bis 10 h umfasst.
  7. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsschritt eine Einsatzhärtung oder eine Katalyse oder eine Einlagerung von Ionen in die Metallstruktur des Teils ist.
  8. Mechanisches Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Versetzens in eine Schwingungsbewegung durch einen elektronischen Vibrator, dessen Wellen die Bewegung des Behälters in der gewünschten Richtung hervorrufen, ausgeführt wird.
  9. Mechanisches Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrator ein Ultraschallgenerator ist.
  10. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der vollkommen sphärischen Kugeln (22) je nach gewünschter Dicke der Nanostrukturschicht im Bereich von 300 μm bis 3 mm liegt.
  11. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuderdauer für eine bestimmte Kugelgröße, ein bestimmtes Material, aus dem das Teil (10) gebildet ist, und eine gegebene Maschinenkonfiguration in Abhängigkeit von der vom Anwender gewünschten Dicke der Nanostrukturen bestimmt wird.
  12. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuderdauer der Kugeln (22) im Bereich von 30 bis 1300 s liegt.
  13. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt der Abkühlung des zu bearbeitenden Teils umfasst.
  14. Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s liegt.
  15. Mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen auf einem Metallteil, die wenigstens einen für die Größe der Kugeln geschlossenen Behälter (20a, 20b), der eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln mit bestimmter Abmessung enthält, und ein Mittel (32) zum Verbinden des Behälters mit Mitteln zur Erzeugung von an den Behälter übertragenen Schwingungen (33, 34, 35) umfasst, wobei die Gesamtheit aus Behälter und Schwingungsmitteln über Dämpfungsmittel (31) an einer Platte (30) angebracht ist, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer zu der Richtung der an den Behälter übertragenen Schwingungsbewegung senkrechten Ebene dreht.
  16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Einstellen der Drehgeschwindigkeit der Platte sowie Mittel zum Einstellen der Frequenz und der Amplitude der Schwingungserzeugungsmittel umfasst.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungserzeugungsmittel ein Ultraschallgenerator ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungserzeugungsmittel aus einer Trägheitsbaueinheit (34) gebildet ist, die längs einer zu der Drehachse der Platte senkrechten Achse (33) rotatorisch angetrieben wird, wobei die Trägheitsbaueinheit mit dem Mittel (32) für die Verbindung mit dem Behälter (20a, 20b) mechanisch verbunden ist.
  19. Mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel, die das Metallteil (10) einer Beanspruchung unterwerfen, und/oder Mittel zum Erhitzen des Teils (10) umfasst.
  20. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Einstellen des Abstandes (d) zwischen der Emissionsquelle der Kugeln und dem zu bearbeitenden Teil umfasst.
  21. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand in der Größenordnung von 4 bis 40 mm liegt.
  22. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Einstellen der Emissionsdauer der Kugeln und ihrer Geschwindigkeit umfasst.
  23. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s liegt.
  24. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Ausführen einer lokalen Abkühlung der bearbeiteten Zone des Teils umfasst.
  25. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Bearbeitung durch Diffusion chemischer Zusammensetzungen in die erzeugte Nanostrukturschicht während oder nach der Erzeugung der Nanostrukturen umfasst.
  26. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Versetzen der zu bearbeitenden Zone des Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer gegebenen Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer im Bereich von 30 min bis 10 h umfasst.
  27. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Einsatzhärten, Carbonitrierhärten oder zu anderen thermochemischen Bearbeitungen umfasst.
  28. Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem schallisolierenden Behälter (25) eingeschlossen ist.
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