专利名称：形成纳米结构的机械方法和专用机械设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属表面加工技术，具体地说是一种在金属零件上形成纳米结构的机械方法和专用机械设备。
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其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的机械方法和专用机械设备，它能利用完全球状的弹丸，以可变入射角的喷射方式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表面上形成纳米结构的机械方法，包括在金属零件上进行表面加工处理，得到一个具有纳米结构的表层，具体为1)在适宜的封闭空间中放置大量的球状弹丸，弹丸在进行循环往复的振动中撞击封闭空间的各个壁板，壁板之一为(或固定有)待处理的金属零件；2)所述弹丸在垂直于待处理金属零件表面的方向上、在所述封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，使金属零件形成纳米结构表层；3)根据弹丸的物理特性确定循环运动的速度和振动的频率、振幅，使弹丸获得足以使金属零件产生纳米结构的动能。
专用机械设备包括至少一个带有真空入口的封闭空间，完全球状的、置于封闭空间中的弹丸、振动发生装置、减振装置，其中弹丸具有确定的尺寸和数量；振动发生装置通过支臂与封闭空间连接，把产生的振动传送到整个封闭空间；支臂又通过减震装置把振动发生装置安装在一个平台上，平台由一旋转装置驱动、按确定速度Ω旋转；通过这个设备，用一定数量的弹丸在一定的空间里振动就能够在金属零件上获得一层确定厚度的纳米结构。
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的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机械设备，可有效地降低金属零件表面上的晶粒尺寸，在整个金属零件上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。
2.采用本发明产生纳米结构的方法及其专用机械设备，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，在弹丸撞击时可以避免应力在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.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。
图1为本发明形成纳米结构机械方法的专用设备结构示意图。
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使用牵拉式外加应力装置的结构示意图。
图3B为图3A中下平台俯视图。
图4A和4B为本发明再一实施例中分别以550℃和350℃在一个经表面处理后的金属零件上进行离子渗氮后所显示的氮的渗透率曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
在金属零件上进行表面处理，得到一个具有纳米结构的表层，具体为1)在适合于弹丸尺寸的封闭空间里，放置的大量球状的弹丸，在进行循环运动过程中，弹丸与封闭空间的各个壁板发生撞击，其中一壁板为或固定有待处理金属零件；2)在垂直于待处理金属零件表面的方向上，弹丸在所述封闭空间里以可变的入射角进行振动运动，使撞击点能够覆盖待处理金属零件的全部表面，在金属零件上形成纳米结构表层；3)根据弹丸的物理特性确定循环运动的速度和振动的频率与振幅，使弹丸获得足以在待处理金属零件上形成纳米结构的动能；对待处理的金属零件外加机械应力和/或热应力，其应力值不大于金属零件材料的屈服应力；所述表面处理过程中对待处理金属零件进行加热或冷却；所述振动运动通过振动发生装置实现，振动发生装置产生的波按照所希望的方向引起封闭空间的运动；振动发生装置为由电机、轴、惯性件组成机械装置或超声波发生器；所述弹丸直径的变化在300μm至10mm之间；振动发生装置为超声波发生器时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3m至10mm之间选择；振动发生装置为超声波发生器时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；所述振动运动使弹丸产生的速度包含在3至100米/秒之间；所述对待处理金属零件在封闭空间中进行表面处理，在其纳米结构形成时或形成之后，在纳米结构表层中进行物理化学处理；所述表面处理的持续时间在5秒至10小时之间；振动发生装置采用超声波发器时，对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件材料的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；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；其专用机械设备包括至少一个带有真空入口201的封闭空间20，完全球状的、置于封闭空间20中的弹丸22、振动发生装置70及减振装置50，其中弹丸22具有确定的尺寸和数量；振动发生装置70通过支臂60与封闭空间20连接，把产生的振动传送到整个封闭空间20；支臂60又通过减振装置50把振动发生装置70安装在一个调整平台30上，调整平台30的下部为旋转装置40，旋转装置40驱动调整平台30按照Ω速度进行旋转；振动发生装置70为电机75和与其相连的轴73安装在一起的惯性件74，所述轴73与调整平台30和旋转装置40的旋转轴垂直，轴73带动惯性件74旋转，通过支臂60把惯性件74产生的振动传递给封闭空间20；振动发生装置70为超声波发生器；外加一外加机械应力或热应力装置，于封闭空间20内的金属零件10上；加设一加热装置，于封闭空间20内或外、或金属零件10上；还包括对金属零件10表面的局部区域进行加热和/或冷却装置，安装在封闭空间20中、或金属零件10上；旋转装置40可通过调整平台30的旋转速度Ω来调整振动发生装置70的频率与振幅，其频率范围为10～40KHz，振幅范围为5～900微米；在所述封闭空间20中加设一距离调节装置204，用于调节封闭空间20中待处理金属零件10表面到与其相对壁板间的距离；在封闭空间20中，所述金属零件10表面与其相对壁板间的距离d为4至40mm；振动发生装置70上加设用于弹丸22振动运动的持续时间和速度调整装置；当所述振动发生装置70产生的运动静止时，由弹丸22的数量占有的面积超过封闭空间20中垂直于主振动方向的主表面面积的10～100％；当所述振动发生装置70产生的运动静止时，由弹丸22的数量占有的面积超过封闭空间20中垂直于主振动方向的主表面面积的25～35％；所述振动发生装置70使弹丸22产生的速度介于3至100米/秒之间；所述振动发生装置70为超声波发生器时，使弹丸22产生的速度介于5至20米/秒之间；还包括当形成纳米结构时或形成之后在金属零件10的纳米结构表层中进行物理化学处理装置26，通过真空入口201与封闭空间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，催化离子存储的装置；将所述盛有弹丸22的封闭空间20、支臂60、减振装置50、调整平台30及振动发生装置70或物理化学处理装置26封闭在一个隔音的处理箱25中。
实施例1在金属零件的表面上形成纳米结构的机械方法，包括在金属零件上进行表面处理，得到一个具有纳米结构的表层，具体为1)在适宜的封闭空间中放置大量的球状弹丸，弹丸在进行循环往复的振动中撞击封闭空间的各个壁板，壁板之一为(或固定有)待处理的金属零件；2)所述弹丸在垂直于待处理金属零件表面的方向上、在所述封闭空间里以可变的入射角进行循环往复的振动，使金属零件形成纳米结构表层；3)根据弹丸的物理特性确定循环运动的速度和振动的频率、振幅，使弹丸获得足以使金属零件产生纳米结构的动能；如图1所示，其机械设备包括至少一个带有真空入口201的封闭空间20，完全球状的、置于封闭空间中的弹丸22、振动发生装置70和减振装置50，其中弹丸22具有确定的尺寸和数量；振动发生装置70通过支臂60与封闭空间20连接，把产生的振动传送到整个封闭空间20，支臂60又通过减振装置50把振动发生装置70安装在由旋转装置40驱动、带有确定旋转速度Ω的调整平台30上；通过这个设备，用确定数量的弹丸22在确定的空间里振动，就会在金属零件10上获得一层确定厚度的纳米结构。
用于撞击待处理金属零件10表面的弹丸22是完全球状的和高质量的，高质弹丸可以是轴承钢丸、或其它金属丸及玻璃丸或陶瓷丸等。在考虑其球形的弹丸22质量的同时，根据使用情况确定其数量，本实施例当所述振动发生器产生的运动静止时，由弹丸22的数量占有的面积超过封闭空间20中垂直于主振动方向的主表面面积的30％。完全球状的弹丸可以避免弹丸22在撞击时产生的应力在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，这种完全的球状物能够在材料的表面产生塑性变形，那么多方向上塑性变形的重复就会导致待处理金属零件10表层晶粒的碎化并造成它们尺寸的下降。本实施例中在支臂60的每个端部都至少支撑一个封闭空间20，图上所显示的两个封闭空间20分别位于支臂60的两个端部；所述支臂60与一个圆中未能看见的电机75相连，电机驱动一个轴73， 由一个扇形体构成的惯性件74装在这个轴73上，组成振动发生装置70；电机75通过轴73驱动所述惯性件74给出一个速度V，由于不对称，这个速度V在所述振动发生装置70的内部将产生一个振动，这种振动由支臂60传送到每一个封闭空间20；所述振动发生装置70及支臂60和至少一个封闭空间20构成的结构被安装在一个或多个减振装置50上(本实施例为2个减振装置50)，在这种情况下，把减振装置50放在每个封闭空间20之下以便提供对称的运动，并更加容易地控制所产生的振动；将减振装置50安装在调整平台30上，调整平台30的下部为旋转装置40，旋转装置40用以调整平台30按照Ω方向进行旋转运动；通过振动发生装置70或封闭空间20传送的振动运动基本上是在垂直于调整平台30的方向，或者说，平行于旋转装置40的旋转轴方向；通过旋转装置40的旋转速度Ω的调节可以调节振动的频率和幅度，以便给弹丸22提供一个确定的速度来获取足以使金属零件10表面产生纳米结构的动能；所述振动发生装置70用一定时器件作为持续时间的调整装置，决定持续时间；采用变频器作为速度调整装置，通过控制惯性件74的转速使弹丸22产生的速度介于3至100米/秒之间，弹丸22吸收封闭空间20的运动能量后，以多个可变的入射角重复撞击在金属零件10的表面，每次撞击都会在金属或合金的晶粒内部引起塑性变形；因撞击金属零件10而失去能量的弹丸22在封闭空间20的壁板上重新落地后可获取新的速度，按物理定律来确定随机方向。
封闭空间20由结构为杯状物202和作为盖子203的金属零件10构成；或者由一杯状物202和盖子203组成，而金属零件10则在封闭空间20内被固定在所述盖子203上，盖子203上有一个可以使这个封闭空间20的内部产生真空的真空入口201；后者为改进型，距离调节装置204可以调节金属零件10表面至对面壁板间的距离。这个封闭空间20更有助于弹丸22的运动。
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、钴等金属及其合金材料，本发明方法中不同参数的选择所述金属零件10表面与其相对壁板间的距离，4-40mm；所述弹丸22的直径在3至10毫米的范围内选择；表面处理的持续时间5秒至10小时之间。
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；用制冷装置给封闭空间或金属零件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。
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；本发明还可以把金属零件10固定在杯状物202的各个壁板上，如果杯状物202的几何形状合适，或许可把金属零件10当作杯状物。同样地，虽然封闭空间20超过了弹丸22的尺寸，但应尽可能地安排杯状物202和盖子203之间的空间。因此，对于弹丸22的尺寸来讲，空间好像是被封闭一样。
实施例2与实施例1不同之处在于振动发生装置70采用超声波发生器。
本实施例中，通过安装在支臂60上的超声波发生器作为振动发生装置70，把10～40KHz频率和5-900微米的振幅传送到支臂60上以取代由电机75、惯性件74及轴3组成的振动发生装置70，在这种情况下，可以很好地利用来自超声波的频率，用实时器调整其振动持续时间，用变频器调整其振动频率使弹丸运动速度保持在3-100米/秒之间；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；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作为振动发生装置70时，通过声波产生的声压也影响着形成纳米结构的过程。
振动发生装置70采用超声波发生器时，金属零件10需加热应力。
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迅速长大的温度以下。具体为在待处理的金属零件10的上下表面以不同温度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，或在杯状封闭空间20或其它形状的容器上。
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。为了把足够的动能传送到弹丸22，应根据整个质量的旋转速度和弹丸22的尺寸通过实验来确定振动频率，频率范围10～40KHz和振幅范围5～900微米。
实施例3与实施例1或2不同之处在于本实施例是一种加设外加应力改进型。
如图2A、2B所示，在用适当夹紧的外加应力装置21紧固住金属零件10的同时，待处理的表面可以在有外加应力的状态下进行。这个应力装置21有一个底板21.2，压板法兰接头21.1被装在底板21.2上，插入并紧挨着金属零件10和底板21.2间的保护垫块21.3用于固紧金属零件10。一根杆21.4分别穿过底板21.2和垫块21.3的贯通孔A21.21和B21.31，给由法兰盘固定住的金属零件10施加了一个力，所述杆21.4与底板21.2上的贯通孔B21.31处螺纹连接，所述杆21.4紧固在底板(21.2)上的同时，获得所述压力，其应力值不大于金属零件的屈服应力。然后将所述具有机械应力的金属零件10连同应力装置21一起安装在封闭空间20上，作为封闭空间20的一个壁面。
本发明不只限定于所描述方法的实施方式，其它方式均有可能在金属零件10的一个或多个地方加入外加应力并同时进行处理，其加载方式都在本发明所及范围之内。因此，可以考虑用多个方式在多个地方施加不同的应力，以获得与应力值成正比的不同厚度的纳米结构。
如图3A，3B所示，加外载状态下调整设备的实施方案，在金属零件10的各个端部的牵拉式外加应力装置有可能使零件处于承受外应力的状态。例如，牵拉式外加应力装置由一个上部平台31、一个下部平台32和三个均匀分布、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的衬套结构置入封闭空间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。
总之，当希望取得一个从几十到几百微米厚度的纳米结构时，待处理金属零件10的表面应尽可能地处于应力之下。
实施例4本实施例与实施例1不同之处在于它是一种加设加热/冷却装置改进型加热装置可以利用辐射、传导或对流等，将其安装在金属零件10上或杯状物202中，也可通过加热杯状物202来实现。待处理的金属零件10表面的经过加热后，在受到弹丸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，或者可在局部获得厚度不同的纳米晶组织。但在金属零件10表面温度达到晶粒长大温度前，应对其进行冷却，以便抑制晶粒长大。
此外，本发明亦采用外加应力和加热处理同时进行的方法，能在金属零件10表面取得理想的结果。采用外加应力和/或改变温度的方法，可使材料的深层在各个方向上都更容易产生塑性变形，以利于位于材料深层晶粒的碎化。
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，在有外加应力状态下则可获得几百微米(或更大)厚度的纳米结构表层。在外加应力和改变温度之间选取一项折衷方案，有可能实现纳米结构表层厚度的增加。
实施例5与实施例1或2不同之处在于本实施例是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)位于处理箱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通过真空入口201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化合物。
作为例子，图4A和图4B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的方法，处理的曲线完全符合对一个预处理表面实施的测量，如图4A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4B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的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的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。
实施例6与实施例5不同之处在于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7出于声学或安全的原因，本发明专用机械装置可放置在处理箱25内来降低声音，如图1所示，使之与工作中正常可接受的声音相容，这个处理箱25可以密封。
显然，对于醉心于工艺的人们来说，本发明有多种其它规定形式的实施方式，正如发明要求所述，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本发明几个实例，但它们可结合专利在确定的范围内进行调整，而不是用来限制本发明。
权利要求
1.一种形成纳米结构的机械方法，其特征在于在金属零件上进行表面处理，得到一个具有纳米结构的表层，具体为1)在适合于弹丸尺寸的封闭空间里，放置的大量球状的弹丸，在进行循环运动过程中，弹丸与封闭空间的各个壁板发生撞击，其中一壁板为或固定有待处理金属零件；2)在垂直于待处理金属零件表面的方向上，弹丸在所述封闭空间里以可变的入射角进行振动运动，使撞击点能够覆盖待处理金属零件的全部表面，在金属零件上形成纳米结构表层；3)根据弹丸的物理特性确定循环运动的速度和振动的频率与振幅，使弹丸获得足以在待处理金属零件上形成纳米结构的动能。
2.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于对待处理的金属零件外加机械应力和/或热应力，其应力值不大于金属零件材料的屈服应力。
3.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述表面处理过程中对待处理金属零件进行加热或冷却。
4.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述振动运动通过振动发生装置实现，振动发生装置产生的波按照所希望的方向引起封闭空间的运动。
5.根据权利要求4所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于振动发生装置为由电机、轴、惯性件组成机械装置或超声波发生器。
6.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述弹丸直径的变化在300μm至10mm之间。
7.根据权利要求6所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于振动发生装置为由电机、轴、惯性件组成机械装置时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3mm至10mm之间选择。
8.根据权利要求6所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于振动发生装置为超声波发生器时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。
9.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述振动运动使弹丸产生的速度包含在3至100米/秒之间。
10.根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述对待处理金属零件在封闭空间中进行表面处理，在其纳米结构形成时或形成之后，在纳米结构表层中进行物理化学处理。
11.根据权利要求1或10所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于所述表面处理的持续时间在5秒至10小时之间。
12.根据权利要求5所述形成纳米结构的机械方法，其特征在于振动发生装置采用超声波发器时，对于确定的弹丸尺寸、确定的构成零件材料的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。
13.根据权利要求10所述形成纳米结构的机械方法，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。
14.根据权利要求10所述形成纳米结构的机械方法，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。
15.一种根据权利要求1所述形成纳米结构的机械方法的专用机械设备，其特征在于包括至少一个带有真空入口(201)的封闭空间(20)，完全球状的、置于封闭空间中的弹丸(22)、振动发生装置(70)及减振装置(50)，其中弹丸(22)具有确定的尺寸和数量；振动发生装置(70)通过支臂(60)与封闭空间(20)连接，把产生的振动传送到整个封闭空间(20)；支臂(60)又通过减振装置(50)把振动发生装置(70)安装在一个调整平台(30)上，调整平台(30)的下部为旋转装置(40)，旋转装置(40)驱动调整平台(30)按照Ω速度进行旋转。
16.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于振动发生装置(70)为电机(75)和与其相连的轴(73)安装在一起的惯性件(74)，所述轴(73)与调整平台(30)和旋转装置(40)的旋转轴垂直，轴(73)带动惯性件(74)旋转，通过支臂(60)把惯性件(74)产生的振动传递给封闭空间(20)。
17.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于振动发生装置(70)为超声波发生器。
18.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于外加一外加机械应力或热应力装置，于封闭空间(20)内的金属零件(10)上。
19.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于加设一加热装置，于封闭空间(20)内或外、或金属零件(10)上。
20.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于还包括对金属零件(10)表面的局部区域进行加热和/或冷却装置，安装在封闭空间(20)中、或金属零件(10)上。
21.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于旋转装置(40)可通过调整平台(30)的旋转速度Ω来调整振动发生装置(70)的频率与振幅，其频率范围为10～40KHz，振幅范围为5～900微米。
22.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于在所述封闭空间(20)中加设一距离d调节装置(204)，用于调节封闭空间(20)中待处理金属零件(10)表面到与其相对壁板间的距离。
23.根据权利要求22所述专用机械设备，其特征在于在封闭空间(20)中，所述金属零件(10)表面与其相对壁板间的距离d为4至40mm。
24.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于振动发生装置(70)上加设用于弹丸(22)振动运动的持续时间和速度调整装置。
25.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于当所述振动发生装置(70)产生的运动静止时，由弹丸(22)的数量占有的面积超过封闭空间(20)中垂直于主振动方向的主表面面积的10～100％。
26.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于当所述振动发生装置(70)产生的运动静止时，由弹丸(22)的数量占有的面积超过封闭空间(20)中垂直于主振动方向的主表面面积的25～35％。
27.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于所述振动发生装置(70)使弹丸(22)产生的速度介于3至100米/秒之间。
28.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于所述振动发生装置(70)为超声波发生器时，使弹丸(22)产生的速度介于5至20米/秒之间。
29.根据权利要求15所述专用机械设备，其特征在于还包括当形成纳米结构时或形成之后在金属零件(10)的纳米结构表层中进行物理化学处理装置(26)，通过真空入口(201)与封闭空间(20)相连。
30.根据权利要求29所述专用机械设备，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。
31.根据权利要求29所述专用机械设备，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，催化离子存储的装置。
32.根据权利要求15～17中任意一项所述专用机械设备，其特征在于将所述盛有弹丸(22)的封闭空间(20)、支臂(60)、减振装置(50)、调整平台(30)及振动发生装置(70)或物理化学处理装置(26)封闭在一个隔音的处理箱(25)中。
全文摘要
一种形成纳米结构的机械方法和专用机械设备,方法:在金属零件上进行表面加工处理;1)在封闭空间中放置球状弹丸,弹丸在进行循环往复的振动中撞击封闭空间壁板;2)弹丸在垂直于待处理金属零件表面方向上、在封闭空间里以可变入射角进行循环往复振动,使金属零件形成纳米结构表层;3)根据弹丸的物理特性确定循环运动速度和振动频率、振幅,使弹丸获得足以使金属零件产生纳米结构的动能;设备包括至少一个置于空气球状弹丸的封闭空间,一通过支臂与封闭空间连接的振动发生装置,支臂又通过减震装置把振动发生装置安装在由旋转装置驱动的平台上。它以可变入射角的喷射方式在材料的表面上形成一个纳米尺度的显微结构或纳米结构的表层。
文档编号C21D7/06GK1336321SQ01122980
公开日2002年2月20日 申请日期2001年7月27日 优先权日2000年7月28日
发明者卢柯, 吕坚 申请人:中国科学院金属研究所