专利名称：一种金属材料表面纳米层的加工方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及设计一种金属材料表面处理方法及设备，更具体地讲，涉及一种金属材料表面纳米层的加工方法及设备。
背景技术：
机械零部件和结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域，如何保证它们在役期间安全运行是国民经济发展中的重大课题，尤其是在机械结构过早失效和安全事故频发的今天。引发机械结构装备失效的物理机制很多，如疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等，其中疲劳损伤、磨损和腐蚀问题较为常见。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面加工处理新方法，用于保证机械装备可靠地安全运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。
现阶段国内外主要采用堆焊、喷涂、喷熔方式或表面淬火、渗碳、电镀、渗氮热处理等常规表面处理工艺来提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀能力。而表面淬火、渗碳、渗氮等因效率、设备、成本和能耗的限制，影响了其在机械结构和零部件中应用前景，因此国内外相关研究和应用逐渐转向堆焊、喷涂、熔敷方式。但这些工艺也存有一定问题，如堆焊和熔敷方式易于表面冷裂；喷涂方式因结合强度过低而容易导致耐磨材料脱落。因此，在国内外新兴表面加工处理技术不断出现，如沉积、离子注入、原位生成和金属表面纳米化技术等。而目前，沉积、离子注入、原位生成技术还不成熟，成本过高、技术过程复杂、效率过低的问题还依然存在。
中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室提出了使用表面机械研磨处理技术来实现金属表面纳米化的方法和超音速喷丸表面纳米化方法。前者只能处理小试件，不适于用于加工处理实际机械零件，)要求真空条件，加工处理时间较长，成本较高，处理后样品表面不平整，粗糙度值较大。后者虽然解决了机械零部件尺寸、形状方面的限制，可以处理较大试件，处理效率有所提高，但用于加工处理实际机械零件时时间依然较长、而且存在严重的噪声污染问题，更主要的是处理后样品表面不平整，粗糙度值较大的问题更加突出，表面质量较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以方便、快速、低成本地在金属机械零部件表面(包括钢、铸铁等黑色金属、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、镍基合金等有色金属)大规模获得纳米结构层、表面几何形态纳米化并带有高数值表面压缩应力的方法及设备。使用该方法和设备所获得纳米结构层和纳米级的表面质量并带有高数值表面压缩应力，使得机械零件的抗疲劳、抗磨损、抗腐蚀性能大幅度提高，最终低成本，并能延长其使用寿命，从而克服替代喷涂、沉积、电镀和离子注入等表面处理方法成本高、表面质量较差和效率低的缺点。
本发明的金属材料表面纳米层的加工方法，按照下述步骤进行首先把超声金属表面纳米化加工处理装置的纳米工作头装卡在车床的刀架上；然后接通电源，打开超声波发生器和执行机构的控制开关，调整振幅，在机床上设定所需参数，对金属材料进行加工。
所述的参数为机床主轴转速，一般设在50～1200r/min的范围内；纳米工作头进给量，一般设在0.02～0.5mm/r的范围内；加工速度，一般设在直线速度1-600mm/min的范围内，也可以根据加工对象的不同将加工速度设在100mm/min之上；加工往返次数，一般为1～10次；超声表面加工处理工作头输出端振幅，一般为5-50微米的范围内。
本发明的金属材料表面纳米层的加工方法，可以根据加工材料的不同选择对应的润滑液，减少工作头与被加工处理工件之间的摩擦，例如乳化冷却液、油性冷却液。
本发明的金属材料表面纳米层的加工设备，由超声波发生器1、气泵2、外壳3组成，在外壳内部设置有换能器5和变幅杆4，在外壳的外部设置有纳米工作头6，所述的纳米工作头可以直接固定在变幅杆上，也可以通过螺纹结构固定在变幅杆上，所述的纳米工作头可以是圆柱形，半圆柱形等多种形状，也可以是通过紧固外套8将耐磨圆球9固定在纳米工作头的端部，其作用是以一定的能量挤压冲击工件，使表面获得纳米层。通过半数字化和数字化控制超声波发生器将工频交流电转换为超声频振荡，以供给纳米工作头能量。通过磁致伸缩换能器和压电换能器将高频电振荡信号转换成机械振动。变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。本发明的纳米工作头可以安装在机床上，也可以是手持式的。
对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件的金属表面纳米层的过程，主要应选用工作端为球形的工作头类型(见图5)，也可以是半圆柱状的工作头类型(见图6)。工作头输出端球面直径一般在2-30mm的范围内，工作头输出端球面直径的选择原则是被根据被加工材料的硬度进行的。如果被加工材料硬度较高，则应选择输出端球面直径相对较小的工作头；如果被加工材料硬度较低，则应选择输出端球面直径相对较大的工作头；如果被加工材料硬度过低，应选用线接触类型的超声工作头。对于超声金属表面纳米化加工处理钢材或钛合金以及铸铁机械零部件时工作头的材料，一般应为硬质合金，如果希望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷(包括金属化陶瓷)、金刚石、非晶态合金等。
对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，在制备金属表面纳米层的过程，主要应选用工作端为球形的工作头类型(见图5)，也可以是半圆柱状的工作头类型(见图6)，还可以采用工作端为耐磨圆球的工作头类型(见图2)。工作头输出端圆弧面直径一般在2-30mm的范围内，长度则在2-20mm的范围内。工作头输出端圆弧面直径和长度的选择原则也是被根据被加工材料的硬度来进行。如果被加工材料硬度较高，则应选择输出端圆弧面直径和长度相对较小的工作头；如果被加工材料硬度较低，则应选择输出端圆弧面直径和长度相对较大的工作头。对于超声金属表面纳米化加工处理铝或镁合金等较软金属材料机械零部件时工作头的材料，一般应为工具钢或硬质合金。当然对于超硬铝合金也可以选择工作端为球型的工作头类型，也可以是半圆柱状的工作头类型。
此外，在纳米工作头的底部可用弹簧作为加工处理是的静压力，还有气泵作为通风冷却装置，也可利用平稳的气压作为推动纳米工作头的静压力。
使用超声金属表面纳米化方法应根据被加工材料的材质来选择相对应的合适工艺参数和工作头类型及相应尺寸。此外为了经过表面纳米化加工处理后能够获得具有足够尺寸精度的机械零部件，还需要考虑在前一道工序粗车时应预留挤压余量的大小。根据加工材料的不同选择对应的润滑液，减少工作头与被加工处理工件之间的摩擦。
本发明的金属表面纳米层的制备方法与机械研磨处理技术、超音速喷丸处理技术等相比，具有如下有益效果1)不需要真空条件，操作简便，可控性高，大幅度地提高了表面纳米化加工处理的效率。
2)不受机械零部件尺寸方面限制，可以处理体积巨大的工件。
3)表面质量好，不存在处理过度损伤问题。
4)省去通常的最后一道精加工工序。
5)不存在纳米层被精加工(如精车或磨削加工)去除的问题。
6)纳米化程度和变形十分均匀。
7)不存在噪声污染问题。
图1制备金属表面纳米层的装置的组成示意图。
图2纳米工作头的组成示意图。
图345圆钢样品金相组织的显微组织图。
图4经过超声处理后45圆钢样品表面的显微组织图。
图5经超声处理后铝合金样品表面的显微组织图。
图6球面纳米工作头的示意图。
图7半圆柱状纳米工作头的示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步说明本发明的技术特征。
本发明的金属材料表面纳米层的加工设备，由超声波发生器1、气泵2、外壳3组成，在外壳内部设置有换能器5和变幅杆4，在外壳的外部设置有纳米工作头6，所述的纳米工作头可以直接固定在变幅杆上，也可以通过螺纹结构固定在变幅杆上，所述的纳米工作头可以是圆柱形，半圆柱形等多种形状，也可以是通过紧固外套8将耐磨圆球9固定在纳米工作头的端部。通过半数字化和数字化控制超声波发生器将工频交流电转换为超声频振荡，以供给纳米工作头能量。通过磁致伸缩换能器和压电换能器将高频电振荡信号转换成机械振动。变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。纳米工作头的作用是以一定的能量挤压冲击工件，使表面获得纳米层。本发明的加工装置在使用时可以安装在车床的刀架，打开超声波发生器和执行机构的控制开关，调整振幅，在机床上设定所需的参数，对不同的金属材料进行加工，如下所示1.对直径为60mm的45圆钢进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为405r/min；纳米工作头进给量为0.2mm/r；加工速度为120mm/min；加工往返共三次；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为球型的类型，其输出端球面直径为10mm；工作头输出端超声振幅为16微米。
用金相显微镜观察原始组织，用JEOL 100CX-II透射电子显微镜观测样品表面的微观组织，工作电压为100kv。采用高精度电感式表面粗糙度测定仪进行了表面粗糙度测定。在MHV2000显微硬度测量仪上测量样品沿厚度方向硬度的变化，所加载荷为10g，时间10秒。使用STRESS X3000残余应力X射线衍射仪测定表面的残余应力。实验结果表明图3为原始样品放大500倍时的金相组织，图4为经超声处理后样品表面在透射电镜下放大10万倍时的显微组织。通过对比可知，经超声处理后表面获得了纳米结构层，晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为50nm，与原始晶粒尺寸(大约40μm)相比晶粒细化了约800倍；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1倍；表面粗糙度为Ra0.05，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成750MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低3-8倍，磨损率降低100-800倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-2倍，磨损率降低5-100倍。
2.对直径为80mm的铝合金进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为255r/min；纳米工作头进给量为0.25mm/r；加工速度为60mm/min；加工往返共三次，耗时3min，沿工件回转轴线方向处理了长度约为6cm的距离；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为圆柱的类型，其输出端圆弧直径为10mm；工作头输出端超声振幅为16微米。
图5表明经超声处理后，铝合金表面形成了等轴状的纳米晶，约80nm。处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.5倍；表面粗糙度为Ra0.07，比处理前表面粗糙度降低80倍左右，表面形成150MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低3-8倍，磨损率降低10-150倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低2-4倍，磨损率降低3-50倍。
3.对直径为40mm的镁合金进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为200r/min；纳米工作头进给量为0.2mm/r；加工速度为40mm/min；加工往返共3次，耗时10min，沿工件回转轴线方向处理了长度约为10cm的距离；选用油性冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为耐磨圆球9的类型，其输出端圆弧直径为10mm；工作头输出端超声振幅为10微米。
超声处理后，镁合金表面形成了等轴状的纳米晶，约50nm。处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.5倍；表面粗糙度为Ra0.06，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成100MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低2-3倍，磨损率降低10-150倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-2倍，磨损率降低5-30倍。
4.对直径为50mm的铜合金进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为300r/min；纳米工作头进给量为0.1mm/r；加工速度为30mm/min；加工往返共6次，耗时12min，沿工件回转轴线方向处理了长度约为5cm的距离；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为圆柱的类型，其输出端圆弧直径为20mm；工作头输出端超声振幅为5微米。
超声处理后，铜合金表面形成了纳米晶，约50nm。处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.7倍；表面粗糙度为Ra0.15，比处理前表面粗糙度降低50倍左右，表面形成70MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-1.5倍，磨损率降低4-10倍。
5.对直径为60mm的45圆钢进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为50r/min；纳米工作头进给量为0.02mm/r；加工速度为1mm/min；加工往返共2次；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为球型的类型，其输出端球面直径为10mm；工作头输出端超声振幅为5微米。
经超声处理后表面获得了纳米结构层，晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为20nm，与原始晶粒尺寸(大约40μm)相比晶粒细化了约2000倍；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约2.6倍；表面粗糙度为Ra0.02，比处理前表面粗糙度降低250倍左右，表面形成750MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低4-10倍，磨损率降低150-1000倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-2倍，磨损率降低8-100倍。
6.对直径为60mm的45圆钢进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为1200r/min；纳米工作头进给量为0.5mm/r；加工速度为600mm/min；加工往返共10次；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为球型的类型，其输出端球面直径为10mm；工作头输出端超声振幅为50微米。
经超声处理后表面获得了纳米结构层，晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为100nm，与原始晶粒尺寸(大约40μm)相比晶粒细化了约400倍；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1倍；表面粗糙度为Ra0.35，比处理前表面粗糙度降低15倍左右，表面形成750MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-3倍，磨损率降低7-30倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数略有降低，磨损率降低3-15倍。
7.对直径为80mm的铜合金进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为600r/min；纳米工作头进给量为0.3mm/r；加工速度为300mm/min；加工往返共1次，耗时3min，沿工件回转轴线方向处理了长度约为5cm的距离；选用乳化冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为半圆柱的类型，其输出端圆弧直径为20mm；工作头输出端超声振幅为30微米。
超声处理后，铜合金表面形成了纳米晶，约40nm。处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.6倍；表面粗糙度为Ra0.15，比处理前表面粗糙度降低60倍左右，表面形成70MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-1.6倍，磨损率降低4-12倍。
8.对直径为60mm的镁合金进行表面纳米化的制备方法机床主轴转速为1000r/min；纳米工作头进给量为0.4mm/r；加工速度为450mm/min；加工往返共4次，耗时12min，沿工件回转轴线方向处理了长度约为10cm的距离；选用油性冷却液作为润滑液；纳米工作头6选用工作端为半圆柱的类型，其输出端圆弧直径为10mm；工作头输出端超声振幅为40微米。
超声处理后，镁合金表面形成了等轴状的纳米晶，约60nm。处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.6倍；表面粗糙度为Ra0.06，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成100MPa的残余压应力。耐磨对比实验结果表明与粗车样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低2-3倍，磨损率降低10-150倍；与磨削样品相比，超声金属表面纳米化加工处理样品的摩擦系数降低1-2倍，磨损率降低5-30倍。
使用超声金属表面纳米化方法应根据被加工材料的材质来选择相对应的合适工艺参数和工作头类型及相应尺寸。此外为了经过表面纳米化加工处理后能够获得具有足够尺寸精度的机械零部件，还需要考虑在前一道工序粗车时应预留挤压余量的大小。根据加工材料的不同，选择适当的润滑液，减少工作头与被加工处理工件之间的摩擦。
权利要求
1.一种金属材料表面纳米层的加工方法，其特征在于，按照下述步骤进行首先将金属表面超声纳米化加工处理装置的纳米工作头装卡在车床的刀架上，然后接通电源，打开超声波发生器和执行机构控制开关，调整振幅，在机床上设定所需参数，对金属材料进行加工；所述的参数为机床主轴转速为50～1200r/min、纳米工作头进给量为0.02～0.5mm/r、加工速度为1-600mm/min、加工往返次数为1～10次、纳米工作头输出端振幅为5-50微米。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料表面纳米层的加工方法，其特征在于，所述的机床主轴转速为200-600r/min；纳米工作头进给量为0.1-0.3mm/r；加工速度为30-120mm/min；加工往返次数为2-6次；纳米工作头输出端振幅为5-16微米。
3.一种金属表面超声纳米化加工设备，包括超声波发生器、气泵、外壳和设置在外壳内部的换能器和变幅杆，其特征在于，所述外壳的外部设置有纳米加工头，所述纳米加工头固定在变幅杆上。
4.根据权利要求3所述的一种金属表面超声纳米化加工设备，其特征在于，所述的纳米工作头通过螺纹结构固定在变幅杆上。
5.根据权利要求3所述的一种金属表面超声纳米化加工设备，其特征在于，所述的纳米工作头是由紧固外套和通过紧固外套固定在纳米工作头端部的耐磨圆球组成。
6.根据权利要求3所述的一种金属表面超声纳米化加工设备，其特征在于，所述的纳米工作头是球面。
7.根据权利要求3所述的一种金属表面超声纳米化加工设备，其特征在于，所述的纳米工作头是半圆柱状。
全文摘要
本发明公开了一种金属材料表面纳米层的加工方法，首先把超声金属表面纳米化加工处理装置的纳米工作头装卡在车床的刀架上；然后接通电源，打开超声波发生器和执行机构的控制开关，调整振幅，在机床上设定所需参数，对金属材料进行加工。所述的参数为机床主轴转速，一般设在50～1200r/min的范围内；纳米工作头进给量，一般设在0.02～0.5mm/r的范围内；加工速度，一般设在直线速度1－600mm/min的范围内，也可以根据加工对象的不同将加工速度设在100mm/min之上；加工往返次数，一般为1～10次；超声表面加工处理工作头输出端振幅，一般为5－50微米的范围内。本发明具有加工条件简单，加工质量高，污染小等优点。
文档编号B24B1/04GK1911596SQ200610015328
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者王东坡, 宋宁霞, 霍立兴, 王婷, 邓彩艳 申请人:天津大学