一种金属材料表面纳米层的加工方法及设备技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有加工条件简单，加工质量高，污染小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图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。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王东坡，宋宁霞，霍立兴，王婷，邓彩艳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]