高频斜角冲击制备金属表面纳米层的方法.pdf

本发明涉及一种高频斜角冲击制备金属表面纳米层的方法，属于金属纳米材料技术领域。本发明将带有至少一个冲击头的冲击锤固定在高频冲击机床上，冲击锤由高频冲击机床带动以斜角冲击冲击金属板表面数遍，使金属表层产生剧烈塑性变形，从而将金属板表面晶粒细化到纳米尺度，其中：所述的冲击锤的冲击频率应为5～15Hz，冲击功率为600～1000W。本发明工艺简单，设备经济，组织细化能力高，实用性强，易于工业化普及。可以用于纯金属、合金、金属基复合材料等材料的表面纳米化。

1、  一种高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，其特征在于：将带有至少一个冲击头的冲击锤固定在高频冲击机床上，冲击锤由高频冲击机床带动以斜角冲击冲击金属板表面数遍，使金属表层产生塑性变形，从而将金属板表面晶粒细化到纳米尺度。

2、  根据权利要求1所述的高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，其特征是，所述的冲击锤的冲击频率应为5～15Hz，冲击功率为600～1000W。

3、  根据权利要求1或2所述的高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，其特征是，所述冲击锤，其冲击头为长方体形，横截面形状为圆弧形或方形。

4、  根据权利要求1所述的高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，其特征是，所述的斜角冲击，是指：冲击锤的运动方向与金属板的法线方向有一个夹角，该夹角取值范围为0°～45°。

5、  根据权利要求1所述的高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，其特征是，所述的冲击金属板表面数遍是指8～16遍。

高频斜角冲击制备金属表面纳米层的方法
技术领域
本发明涉及的是一种制造加工技术领域的表面处理方法，尤其是一种高频斜角冲击制备金属表面纳米层的方法。
背景技术
纳米结构材料集优异的力学性能和独特的物理性能于一体，已经引起了广大研究者和工业界的极大兴趣。但是，块体纳米结构材料的制备仍然是材料学界的难题之一，并且所制造的块体纳米材料难以进行工业应用。而在实际应用中，金属材料的失效大多发生在材料的表面，表面的结构性能直接影响工程金属材料的综合服役性能。因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能，如抗疲劳性、耐腐蚀性和抗摩擦性，延长材料的使用寿命。
金属材料表面纳米化的方法主要有两类，第一类为表面涂层或沉积纳米化，即在金属材料表面涂敷或沉积一层本身具有纳米尺度和性能的膜层，主要技术有：物理蒸发沉积(PVD)、化学蒸发沉积(CVD)，溅射镀膜，电镀和喷涂等。由于存在涂层与基体之间、涂层粒子之间结合力较弱的缺点，很容易引起表层剥离或脱落。而且存在设备投资大生产成本高，限制了该类方法的工业化应用。第二类为机械表面研磨纳米化，即使用机械方法使金属表面产生剧烈塑性变形，从而细化表面组织。主要技术有：高能喷丸、超声喷丸、滚压等方法。该类方法制备的表面纳米层与基体组织之间不存在明显的界面，不会发生脱落和分离，从而大幅提高材料使用性能。但该类方法仍存在一些局限性，如生产效率低、设备复杂、成本较高等缺点，很难进行工业化推广。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法”，申请号：01128225.8，采用的装置是空气压缩机与送粉器相连，高压空气携带微粒经超音速喷嘴喷出对金属材料表面进行轰击，其结构复杂，微粒运行路程较长，增加了喷嘴的磨损，从而影响了喷嘴寿命。日本公开特许公报JP2003039398提出了一种基于落锤原理的“金属制品的表面纳米化方法”。根据这一方法，在一个落锤的端面有至少一个突起。落锤加速下落，使每个突起能以0.1kg..m/s的动量撞击置于落锤下方的金属板表面，从而使金属板被撞击部位发生表面纳米化。该方法虽然简单，但由于撞击时金属板表面只受到压应力没有剪应力，很难产生表层纳米化效果，均匀性也不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种高频斜角冲击制备金属材料纳米表面层的方法，使其以简单的工艺和设备解决背景技术中存在的缺憾，提高表层纳米化能力和细化效率，使零件表面得到优异性能，提高服役寿命，同时使这种纳米化方法易于实现工业化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将带有至少一个冲击头的冲击锤固定在高频冲击机床上，冲击锤由高频冲击机床带动以斜角冲击冲击金属板表面数遍，使金属表层产生塑性变形，从而将金属板表面晶粒细化到纳米尺度。
所述的冲击锤带有至少一个冲击头，冲击头为长方体形，横截面形状为圆弧形或方形，其中方形头适合于硬度较小的材料，圆形头适合硬度较大的材料。冲击头的尺寸没有特殊要求，一般而言，尺寸越大所需功率越高，冲击效率越高而细化效果差，尺寸越小所需功率越低，冲击效率低而细化效果好。
所述的斜角冲击，是指：冲击锤的运动方向与金属板的法线方向有一个夹角，该夹角取值范围为0°～45°。
所述的冲击锤的冲击频率和冲击功率：冲击频率应为5～15Hz，冲击功率应为600～1000W。
所述的冲击锤的移动速度：移动速度Vx为0.01～1米/分钟。
所述的冲击金属板表面数遍，是指：为了获得均匀的表面纳米组织，应该重复冲击数遍。不同的金属和不同的冲击工艺所需要的冲击遍数不同，一般应为8～16遍。
本发明所采用的高频冲击机床为现有公知的成熟技术。
本发明通过高频斜角冲击所产生的剪切力和压应力使金属材料表面产生剧烈快速的塑性变形，可大大提高金属表面纳米化的效率和能力。整套装置结构简单，加工容易，实用性强，易于普及。可以用于纯金属、合金、金属基复合材料等材料的表面纳米化。本发明具有晶粒细化能力强、效率高、操作方便、结构简单、实用性强、易于普及的优点。
附图说明
图1本发明实施例采用的装置示意图
图2为本发明实施原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-2所示，图中X和Y分别代表金属表面内正交的两个方向，用来定义金属表面。将带有至少一个冲击头2的冲击锤1固定在高频冲击机床上，冲击锤1由高频冲击机床带动，以速度V冲击金属板3表面，同时冲击锤1沿X方向以速度Vx移动。冲击锤1运动方向与金属板3法线方向N夹角为a(简称冲击角度a)。X方向冲击完成后，冲击锤1沿Y方向移动一个冲击锤1宽度的距离D。控制冲击角度a、冲击频率和冲击功率，选择合适的冲击锤形状和尺寸、冲击锤1移动速度Vx，以及冲击的遍数，使金属表层产生剧烈塑性变形，从而将金属板表面晶粒细化到纳米尺度。
所述冲击头为长方体形，横截面形状为圆弧形或方形。
所述的冲击角度a，该夹角取值范围为0°～45°。
所述的冲击锤的冲击频率和冲击功率：冲击频率应为5～15Hz，冲击功率应为600～1000W。
所述的冲击锤的移动速度：移动速度Vx为0.01～1米/分钟。
所述的冲击金属板表面数遍，一般为8～16遍。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例采用的装置中，包含冲击锤1、冲击头2、金属板3，其中冲击头2数量为3个，截面形状为圆形，半径为3mm，金属板为镁合金板3。
冲击锤1与冲击头2为一体，固定在高频冲击机床上，冲击锤运动的速度和冲击频率由高频冲击机床控制，冲击锤的移动速度为1米/分钟，冲击锤的运动方向与金属板法线方向N夹角为45°。冲击频率为15Hz，冲击功率为600W。经过16遍反复冲击，可获得平均晶粒尺寸低于100nm的表面层。
实施例2
如图1和图2所示，本实施例采用的装置中，包含冲击锤1、冲击头2、金属板3，其中冲击头2数量为3个，截面形状为方形，单个冲击头宽度为2mm，金属板为铝合金板3。
冲击锤1与冲击头2为一体，固定在高频冲击机床上，冲击锤运动的速度和冲击频率由高频冲击机床控制，冲击锤的移动速度为0.5米/分钟，冲击锤的运动方向与金属板法线方向N夹角为30°。冲击频率为10Hz，冲击功率为800W。经过10遍反复冲击，可获得平均晶粒尺寸低于150nm的表面层。
实施例3
如图1和图2所示，本实施例采用的装置中，包含冲击锤1、冲击头2、金属板3，其中冲击头2数量为1个，截面形状为圆形，半径为2mm，金属板为钢板3。
冲击锤1与冲击头2为一体，固定在高频冲击机床上，冲击锤运动的速度和冲击频率由高频冲击机床控制，冲击锤的移动速度为0.1米/分钟，冲击锤的运动方向与金属板法线方向N夹角为0°。冲击频率为8Hz，冲击功率为1000W。经过8遍反复冲击，可获得平均晶粒尺寸低于150nm的表面层。