專利名稱：機械強力噴丸表面納米化方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬工件表面納米化的方法，特別是一種應用機械強力噴丸實現工件表面均勻納米化的方法，用于金屬納米材料技術領域。
背景技術：
將金屬材料的晶粒細化到納米晶(小于100nm)，會使其具有獨特的力學和物理化學性能。實際上，金屬材料的失效大多數發生于材料表面，如能使工件具有納米晶體結構的表面層，在一定深度的材料表面實現納米化，在工業上具有重要價值。目前已開發出多種納米材料的制備技術，如金屬蒸發凝聚一原位冷壓成型法，機械研磨法、高能球磨法、等通道角擠壓法、非晶晶化法和電解沉積法等，由于制備技術復雜和成本高，難以投入工業應用。
經過文獻檢索，G.Liu等人在《Scripta Materialia》(材料快報)(2001，Vol.44，P1791～1795)上撰文“Low Carbon Steel with Nanostructured SarfaceLayer induced by High-Energy Shot Peening”(“低碳鋼應用高能噴丸獲得納米表面層”)”，該文提出采用高能噴丸HESP方法，其特點是鋼丸射向工件的方向是不斷變化的，使工件表面產生方向不斷變化的塑性變形，最終將表面細化為納米晶。在100×100mm2低碳鋼表面獲得了20μm深的表面納米層，噴丸180min的試樣最表層的納米晶大小約為8nm。此方法原理和馮淦等2000年在《金屬學報》(Vol.36No3，)發表的“低碳鋼超聲噴丸表面納米化的研究”相類似，只是沖擊頻率減小為3KHz，鋼丸直徑增加至8mm。這種裝置只限于實驗室水平，設備大型化很困難，不能實現連續和大規模生產，相應裝置的成本也甚為昂貴。
另外，針對現有用于發動機連桿、軸、齒輪和圓柱彈簧零件的噴丸強化設備，工件承放工作臺一般為水平方向轉動的大轉臺和多個小轉臺組合的多功能工作臺、或者能作前后、左右平移的工作臺。噴丸器固定在工作臺上方。這樣，鋼丸噴向工件表面的方向變動不大，因而工件表面的塑性變形方向是固定的，晶粒只向一個方向伸長，不能產生納米化的效果。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種機械強力噴丸表面納米化方法，使機械零件表面均勻納米化，并能進行大規模生產，從而解決了背景技術中存在的問題。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明在普通工業應用的強力噴丸機工作臺上安裝一個盛放工件的支架和料筐，同時在工作臺上設置兩個軸承，料筐與支架上都設有短軸、軸承，通過安裝在工作臺上的電機的驅動以及工作臺、料筐與支架上的短軸、軸承的相互配合，令工件同時繞兩個相互正交的軸線連續擺動或旋轉，工件表面受鋼丸撞擊的方向隨之改變，產生持續改變方向的塑性變形，直至細化為納米晶。
支架上的短軸設置在支架的左右兩側，且兩個短軸處于X方向同一軸線，在支架的前后兩側則安裝有兩個軸承，且兩個軸承處于Y方向同一軸線上，短軸的軸線X與軸承的軸線Y相互正交。
料筐比支架略小，料筐的短軸沿同一軸線設置在料筐Y方向兩側。
料筐兩側的兩個短軸與支架上的軸承配合，料筐繞Y軸作往復轉動(連續擺動)，而支架上X方向的短軸與在工作臺上X方向設置的的兩個軸承配合，支架繞X軸作往復轉動(連續擺動)。支架繞X軸的擺動由安裝在工作臺上的電機驅動，料筐繞Y軸的擺動由安裝在支架上的電機驅動。
對于軸類零件，如長軸階梯軸、曲軸、凸輪軸、芯軸、芯棒，可以不用料筐。而將工件放置在支架上并連續旋轉，工件的軸線與支架的擺動軸正交。具體是在支架上配置用以安放軸類零件并能使軸類零件在其上轉動的支承座，支承座可以沿著支架上的導向槽或導軌移動，以便調整支承座之間的距離，導向槽或導軌的方向與支架擺動軸線正交，在支架的一端設有一個帶有卡盤的動力頭，用以帶動工件旋轉，其旋轉軸線與支架的擺動軸線正交。工件的轉動和支架擺動兩個動作同時進行，使噴丸流與工件表面之間的夾角不斷變化，從而實現表面變向塑性變形納米化。支承座可采用V型結構或雙滾輪結構，其高度可以根據工件的直徑調整，或者由支承座上的滾輪帶動工件旋轉。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明易于對多種零件，特別是形狀較復雜的零件，如軸類和齒輪等零件實行納米表面均勻強化，本發明易于實施，所涉及的設備比現有技術的投資少，還易于實現連續和大規模工業應用。
具體實施例方式
結合本發明的方法提供五個具體的實施例實施例1.碟形彈簧工件，外圓φ250mm，材料60Si2Mn，要求碟形彈簧面實現納米強化，層厚20μm。工件平放于料筐中，在機械強力噴丸機上進行噴丸，鋼丸球φ2mm，鋼丸球沖擊齒表面能量8.5J，料筐分別沿X軸向和Y軸向±45°的連續擺動，噴射2h，完成碟形彈簧一個面的均勻納米化，然后將碟形彈簧翻轉180°再行按上述方法噴射2h，完成碟形彈簧另一個面的均勻納米化。最表面晶粒大小為10nm，納米層深度為22μm，達到技術要求。
實施例2.軸套零件，外圓φ280mm，內圓φ200mm，高度50mm，材料40Cr，要求軸套內外圓和一個端面實現納米強化，層厚10μm。將不要求納米強化的端面朝下放于料筐中固定，在機械強力噴丸機上進行噴丸，鋼丸球φ2mm，鋼丸球沖擊齒表面能量8.5J，料筐分別沿X軸向和Y軸向連續反復作±60°的轉動，噴射0.5h。所要求的工件表面達均勻納米化，最表面晶粒大小為15nm，納米層深度為15μm，達到技術要求。
實施例3.連桿，材料35CrMo，大頭軸徑φ80mm，長350mm，桿身截面為工字型，壁厚20mm。要求表面均勻納米化，層厚25μm，將連桿間隔排放并固定在料筐中，在機械強力噴丸機上進行噴丸，鋼球φ2mm，鋼丸球沖擊齒表面能量8.5J，料筐分別沿X軸向和Y軸向連續作轉動±60°的擺動的條件下，噴射1h，然后將連桿反轉180°，重復上述操作，完成連桿表面的納米化，最表面晶粒大小為8nm，納米層深度為25μm。
實施例4.曲軸，材料QT80-2球墨鑄鐵，主軸頸合連桿軸頸均為φ110mm，總長度760mm。要求主軸頸、連桿頸表面以及各曲頸表面與扇板平面之間的圓角過渡表面噴丸納米強化。深度20μm，表層最小晶粒15nm。在強力噴丸機的工作臺上安裝一個能往復擺動的支架。在支架上配置用以安放曲軸，并使其轉動的支承座，調整支承座在支架導向槽或導軌上的高度和支承座之間的距離，支架一端帶卡盤的動力頭驅使曲軸轉動，曲軸的轉動軸與支架的擺動軸正交。支架的往復擺動和曲軸連續轉動兩個動作的組合，造成曲軸表面受鋼丸噴射的方向不斷變化，導致表面產生變向塑性變形直至轉變成納米晶。鋼丸直徑φ2mm，鋼丸球沖擊齒表面能量8.5J，支架擺動±60°擺動頻率為3次/分，曲軸轉速2轉/分。噴丸4h，達到技術要求。
實施例5.圓柱齒輪，材料20CrMnTi，模數4，外徑φ450mm，內徑φ120mm，在強力噴丸機的工作臺上安裝一個能往復擺動的支架，在支架上安裝一個類似實施例4的轉動裝置驅動齒輪轉動，其旋轉的軸線與支架擺動的軸線正交。將圓柱齒輪套在芯軸上，芯軸安裝在轉動臺上，支架的往復擺動和齒軸在芯軸帶動下轉動兩個動作的組合，造成齒面受鋼丸噴射的方向不斷變化，導致表面產生塑性變形直至轉變為納米晶，鋼丸的直徑φ2mm，鋼丸球沖擊齒表面能量8.5J，支架往復擺動±60°和齒輪連續轉動的條件下噴丸4h，達到技術要求。
權利要求
1.一種機械強力噴丸表面納米化方法，其特征在于，在強力噴丸機工作臺上安裝盛放工件的支架和料筐，同時在工作臺上設有兩個軸承，料筐與支架上都設有短軸、軸承，通過安裝在工作臺上的電機的驅動以及工作臺、料筐與支架上的短軸、軸承的相互配合，令工件同時繞兩個相互正交的軸線連續擺動或旋轉，工件表面受鋼丸撞擊的方向隨之改變，產生持續改變方向的塑性變形，直至細化為納米晶。
2.根據權利要求1所述的機械強力噴丸表面納米化方法，其特征是，支架上的短軸設置在支架的左右兩側，且兩個短軸處于X方向同一軸線，在支架的前后兩側則安裝有兩個軸承，且兩個軸承處于Y方向同一軸線上，短軸的軸線X與軸承的軸線Y相互正交。
3.根據權利要求1所述的機械強力噴丸表面納米化方法，其特征是，料筐比支架略小，料筐的短軸沿同一軸線設置在料筐Y方向兩側。
4.根據權利要求1或2或3的機械強力噴丸表面納米化方法，其特征是，料筐兩側的兩個短軸與支架上的軸承配合，料筐繞Y軸作往復轉動，而支架上X方向的短軸與固定在工作臺上X方向的兩個軸承配合，支架繞X軸作往復轉動，支架繞X軸的擺動由安裝在工作臺上的電機驅動，料筐繞Y軸的擺動由安裝在支架上的電機驅動。
5.根據權利要求1所述的機械強力噴丸表面納米化方法，其特征是，對于軸類零件，省略料筐，將工件放置在支架上并連續旋轉，工件的軸線與支架的擺動軸正交，具體是在支架上配置用以安放軸類零件并能使軸類零件在其上轉動的支承座，支承座沿著支架上的導向槽或導軌移動，調整支承座之間的距離，導向槽或導軌的方向與支架擺動軸線正交，在支架的一端設有一個帶有卡盤的動力頭，帶動工件旋轉，其旋轉軸線與支架的擺動軸線正交，工件轉動和支架擺動同時進行，使噴丸流與工件表面之間夾角變化，從而實現表面變向塑性變形納米化。
6.根據權利要求5所述的機械強力噴丸表面納米化方法，其特征是，支承座采用V型結構或雙滾輪結構，通過調節支承面的高度適應各直徑的軸類工件，或者由雙滾輪支承座上的滾輪帶動下旋轉。
全文摘要
一種應用機械強力噴丸實現工件表面均勻納米化的方法，用于金屬納米材料技術領域。本發明在強力噴丸機工作臺上安裝一個盛放工件的支架和料筐，工作臺上設置兩個軸承，料筐與支架上都設有短軸、軸承，通過安裝在工作臺上和支架上的電機的驅動以及工作臺、料筐與支架上的短軸、軸承的相互配合，令工件同時繞兩個相互正交的軸線連續擺動或旋轉，工件表面受鋼丸撞擊的方向隨之改變，產生持續改變方向的塑性變形，直至細化為納米晶。本發明易于對多種零件，特別是形狀較復雜的零件，如軸類和齒輪等零件實行納米表面均勻強化，本發明易于實施，所涉及的設備比現有技術的投資少，還易于實現連續和大規模工業應用。
文檔編號C21D7/06GK1570156SQ20041001801
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優先權日2004年4月29日
發明者胡明娟, 朱祖昌, 顧劍鋒, 陳孟溎 申請人:上海交通大學