一种金属材料表面纳米化装置

摘要

本发明公开了一种金属材料表面纳米化装置，该装置包括机架和水平设置于机架上方的工作平台，机架与工作平台之间设置有用于控制工作平台沿Y方向运动的Y向进给系统和用于控制工作平台沿X方向运动的X向进给系统；所述工作平台上设置有凹槽，用于将金属材料固定安装于工作平台上的夹具通过凹槽安装于工作平台上，工作平台上方设置有用于摩擦金属材料的摩擦机构；所述机架上位于工作平台上方安装有与摩擦机构固定连接并用于向摩擦机构施加压力的载荷系统。本发明的装置结构简单，设计合理，实用性强，可处理较大尺寸的平面金属材料，不限于实验室规模。采用该装置处理后的金属材料表面光滑，粗糙度较小，且表面纳米层均匀。

权利要求

1.一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，该装置包括机架（1）和水平设置于机架（1）上方的工作平台（2），机架（1）与工作平台（2）之间设置有用于控制工作平台（2）沿Y方向运动的Y向进给系统（3）和用于控制工作平台（2）沿X方向运动的X向进给系统（4）；

所述工作平台（2）上设置有凹槽（5），用于将金属材料（6）固定安装于工作平台（2）上的夹具（7）通过凹槽（5）安装于工作平台（2）上，工作平台（2）上方设置有用于摩擦金属材料（6）的摩擦机构（8）；所述机架（1）上位于工作平台（2）上方安装有与摩擦机构（8）固定连接并用于向摩擦机构（8）施加压力的载荷系统（9）；所述Y向进给系统（3）包括支撑板一（3-1）、固定于支撑板一（3-1）上方的导轨一（3-2）和安装于支撑板一（3-1）上的滚珠丝杠一（3-3），以及与滚珠丝杠一（3-3）连接的伺服电机（3-4）；所述X向进给系统（4）包括安装于导轨一（3-2）上方的支撑板二（4-1）、固定于支撑板二（4-1）上方的与导轨一（3-2）方向垂直的导轨二（4-2）和安装于支撑板二（4-1）上的滚珠丝杠二（4-3），以及与滚珠丝杠二（4-3）连接的步进电机（4-4）；所述支撑板二（4-1）底部设置有与导轨一（3-2）相配合的导槽一（4-5）；所述工作平台（2）底部设置有与导轨二（4-2）相配合的导槽二（2-1）。

2.根据权利要求1所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述机架（1）包括底座（1-1）和与底座（1-1）固定连接的龙门架（1-2），龙门架（1-2）上部设置有与底座（1-1）平行的固定件（1-3），所述Y向进给系统（3）和X向进给系统（4）叠设于底座（1-1）上方，所述载荷系统（9）安装于固定件（1-3）上。

3.根据权利要求2所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述固定件（1-3）上设置有用于向金属材料（6）与摩擦机构（8）接触位置喷射惰性气体或润滑剂的管道（10）。

4.根据权利要求3所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述管道（10）与惰性气体储气罐相连通。

5.根据权利要求3所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述管道（10）与润滑剂储存罐相连通。

6.根据权利要求2所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述载荷系统（9）包括安装于固定件（1-3）上的表面车有螺纹的轴（9-1），套于轴（9-1）上且位于固定件（1-3）下方的弹簧（9-3），和安装于轴（9-1）底部的用于固定摩擦机构（8）的固定架（9-4），固定件（1-3）与弹簧（9-3）之间设置有用于调节弹簧（9-3）的压缩量从而通过固定架（9-4）向摩擦机构（8）施加压力的螺母（9-2），螺母（9-2）与所述螺纹相配合。

7.根据权利要求1所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述滚珠丝杠一（3-3）由螺杆一、滚珠一和螺母一组成，所述螺母一与支撑板二（4-1）固定连接；所述滚珠丝杠二（4-3）由螺杆二、滚珠二和螺母二组成，所述螺母二与工作平台（2）固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，所述摩擦机构（8）为直径为10mm～20mm的硬度不小于12GPa的硬质合金圆球。

9.根据权利要求1所述的一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，该装置还包括监控系统，所述监控系统包括PLC控制器（11）和与PLC控制器（11）连接的人机交互单元（12），所述PLC控制器（11）的输入端连接有设置于工作平台（2）上且用于检测X向位移的位移传感器一（13）和设置于支撑板二（4-1）上且用于检测Y向位移的位移传感器二（14），所述PLC控制器（11）的输出端与伺服电机（3-4）和步进电机（4-4）连接。

说明书

一种金属材料表面纳米化装置

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种金属材料表面纳米化装置。

背景技术

[0002] 纳米结构材料是指其晶体区域或其它特征长度的典型尺寸小于100nm的单相或多相纳米材料。纳米结构材料的结构特殊性使其具有诸多传统粗晶、非晶材料无可比拟的优异性能，如高强度，高扩散系数，高耐磨性、良好的电学、磁学等性能。制备块体纳米结构材料，目前仍存在困难。采用纳米晶粉末烧结法制备，烧结过程中晶粒易长大或密度偏低。采用严重塑性变形法，如等通道挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)、多向锻打/压缩技术(Multiple Forging/Compression)和循环挤/压技术(Cyclic Extrusion and Compression)等，因应变量及应变率有限，只能细化晶粒至亚微米量级，但难以实现真正意义的纳米化。而磁控溅射、电解沉积等方法工作效率低，成本高，难以实现工业应用。

[0003] 服役环境下，金属材料的失稳多始于表面。因此，强化材料表面，即可有效提高材料整体性能。据此，Lu等1999年提出了金属材料的“表面纳米化”的新概念，即通过表面处理技术，将材料表面晶粒细化至纳米量级，而基体仍保持原粗晶状态。这种设计思想将表面改性与纳米材料结合，既着眼于目前的科学技术水平、又面向实际工程应用，无疑是延长材料使用寿命的一条切实可行的有效途径。

[0004] 中国发明专利，授权公告号CN1099467C，公开了一种采用表面机械研磨处理(SMAT)技术来实现金属材料的表面纳米化方法，然而目前这种处理技术要求真空条件，成本较高，只能处理小试样，设备大型化很困难，不能实现连续和大规模生产，且得到的样品表面粗糙度较大，存在严重噪音污染问题。

[0005] 中国发明专利，授权公告号CN100595292C，公开了一种利用切削制备纳米晶表层的方法，该处理方法装置由工件高速运动机构，刀具进给机构和冷却机构组成。采用一定曲率半径的刀具做轴向进给运动，被处理工件做高速旋转运动，选择不同的冷却介质进行冷却来控制处理时金属材料表面的温度。与SMAT相比，此种方法处理后的样品，变形层厚度明显增加，且表面粗糙度明显降低，但主要适合曲面样品。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种金属材料表面纳米化装置。该装置结构简单，能处理较大尺寸的平面金属材料，采用本发明装置处理后的金属材料表面光滑，粗糙度较小，且表面纳米层均匀。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种金属材料表面纳米化装置，其特征在于，该装置包括机架和水平设置于机架上方的工作平台，机架与工作平台之间设置有用于控制工作平台沿Y方向运动的Y向进给系统和用于控制工作平台沿X方向运动的X向进给系统；所述工作平台上设置有凹槽，用于将金属材料固定安装于工作平台上的夹具通过凹槽安装于工作平台上，工作平台上方设置有用于摩擦金属材料的摩擦机构；所述机架上位于工作平台上方安装有与摩擦机构固定连接并用于向摩擦机构施加压力的载荷系统。

[0008] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述机架包括底座和与底座固定连接的龙门架，龙门架上部设置有与底座平行的固定件，所述Y向进给系统和X向进给系统叠设于底座上方，所述载荷系统安装于固定件上。

[0009] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述固定件上设置有用于向金属材料与摩擦机构接触位置喷射惰性气体或润滑剂的管道。

[0010] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述管道与惰性气体储气罐相连通。

[0011] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述管道与润滑剂储存罐相连通。

[0012] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述载荷系统包括安装于固定件上的表面车有螺纹的轴，套于轴上且位于固定件下方的弹簧，和安装于轴底部的用于固定摩擦机构的固定架，固定件与弹簧之间设置有用于调节弹簧的压缩量从而通过固定架向摩擦机构施加压力的螺母，螺母与所述螺纹相配合。

[0013] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述Y向进给系统包括支撑板一、固定于支撑板一上方的导轨一和安装于支撑板一上的滚珠丝杠一，以及与滚珠丝杠一连接的伺服电机；所述X向进给系统包括安装于导轨一上方的支撑板二、固定于支撑板二上方的与导轨一方向垂直的导轨二和安装于支撑板二上的滚珠丝杠二，以及与滚珠丝杠二连接的步进电机；所述支撑板二底部设置有与导轨一相配合的导槽一；所述工作平台底部设置有与导轨二相配合的导槽二。

[0014] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述滚珠丝杠一由螺杆一、滚珠一和螺母一组成，所述螺母一与支撑板二固定连接；所述滚珠丝杠二由螺杆二、滚珠二和螺母二组成，所述螺母二与工作平台固定连接。

[0015] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，所述摩擦机构为直径为10mm～20mm的硬度不小于12GPa的硬质合金圆球。

[0016] 上述的一种金属材料表面纳米化装置，该装置还包括监控系统，所述监控系统包括PLC控制器和与PLC控制器连接的人机交互单元，所述PLC控制器的输入端连接有设置于工作平台上且用于检测X向位移的位移传感器一和设置于支撑板二上且用于检测Y向位移的位移传感器二，所述PLC控制器的输出端与伺服电机和步进电机连接。

[0017] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0018] 1、本发明的装置结构简单，设计合理，实用性强。

[0019] 2、本发明装置在操作过程中采用氩气或油润滑剂隔离氧气，减轻氧化，不需要真空处理，并且可处理较大尺寸的平面金属材料，不限于实验室规模。采用该装置处理后的金属材料表面光滑，粗糙度较小，且表面纳米层均匀。

[0020] 3、本发明采用硬质合金圆球为摩擦机构，圆球与金属材料的接触面积较小，因此一个硬质合金圆球可使用多次，极大的降低了成本。

[0021] 下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0022] 图1为本发明的立体图。

[0023] 图2为图1的主视图。

[0024] 图3为图1的右视图。

[0025] 图4为本发明载荷系统的结构示意图。

[0026] 图5为本发明监控系统的电路原理框图。

[0027] 附图标记说明：

[0028] 1-机架； 1-1-底座； 1-2-龙门架；

[0029] 1-3-固定件； 2-工作平台； 2-1-导槽二；

[0030] 3-Y向进给系统； 3-1-支撑板一； 3-2-导轨一；

[0031] 3-3-滚珠丝杠一； 3-4-伺服电机； 4-X向进给系统；

[0032] 4-1-支撑板二； 4-2-导轨二； 4-3-滚珠丝杠二；

[0033] 4-4-步进电机； 4-5-导槽一； 5-凹槽；

[0034] 6-金属材料； 7-夹具； 8-摩擦机构；

[0035] 9-载荷系统； 9-1-轴； 9-2-螺母；

[0036] 9-3-弹簧； 9-4-固定架； 10-管道；

[0037] 11-PLC控制器； 12-人机交互单元； 13-位移传感器一；

[0038] 14-位移传感器二。

具体实施方式

[0039] 实施例1

[0040] 如图1、图2和图3所示，本实施例的金属材料表面纳米化装置，包括机架1和水平设置于机架1上方的工作平台2，机架1与工作平台2之间设置有用于控制工作平台2沿Y方向运动的Y向进给系统3和用于控制工作平台2沿X方向运动的X向进给系统4；所述工作平台2上设置有凹槽5，用于将金属材料6固定安装于工作平台2上的夹具7通过凹槽5安装于工作平台2上，工作平台2上方设置有用于摩擦金属材料6的摩擦机构8；所述机架1上位于工作平台2上方安装有与摩擦机构8固定连接并用于向摩擦机构8施加压力的载荷系统9。

[0041] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述机架1包括底座1-1和与底座1-1固定连接的龙门架1-2，龙门架1-2上部设置有与底座1-1平行的固定件1-3，所述Y向进给系统3和X向进给系统4叠设于底座1-1上方，所述载荷系统9安装于固定件1-3上。

[0042] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述固定件1-3上设置有用于向金属材料6与摩擦机构8接触位置喷射惰性气体的管道10；所述管道10与惰性气体储气罐相连通。

[0043] 如图4所示，本实施例中所述载荷系统9包括安装于固定件1-3上的表面车有螺纹的轴9-1，套于轴9-1上且位于固定件1-3下方的弹簧9-3，和安装于轴9-1底部的用于固定摩擦机构8的固定架9-4，固定件1-3与弹簧9-3之间设置有用于调节弹簧9-3的压缩量从而通过固定架9-4向摩擦机构8施加压力的螺母9-2，螺母9-2与所述螺纹相配合。

[0044] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述Y向进给系统3包括支撑板一3-1、固定于支撑板一3-1上方的导轨一3-2和安装于支撑板一3-1上的滚珠丝杠一3-3，以及与滚珠丝杠一3-3连接的伺服电机3-4；所述X向进给系统4包括安装于导轨一3-2上方的支撑板二4-1、固定于支撑板二4-1上方的与导轨一3-2方向垂直的导轨二4-2和安装于支撑板二4-1上的滚珠丝杠二4-3，以及与滚珠丝杠二4-3连接的步进电机4-4；所述支撑板二4-1底部设置有与导轨一3-2相配合的导槽一4-5；所述工作平台2底部设置有与导轨二4-2相配合的导槽二2-1；所述滚珠丝杠一3-3由螺杆一、滚珠一和螺母一组成，所述螺母一与支撑板二4-1固定连接；所述滚珠丝杠二4-3由螺杆二、滚珠二和螺母二组成，所述螺母二与工作平台2固定连接。

[0045] 本实施例中所述摩擦机构8为直径为10mm～20mm的硬度不小于12GPa的硬质合金圆球。

[0046] 如图5所示，本实施例的装置还包括监控系统，所述监控系统包括PLC控制器11和与PLC控制器11连接的人机交互单元12，所述PLC控制器11的输入端连接有设置于工作平台2上且用于检测X向位移的位移传感器一13和设置于支撑板二4-1上且用于检测Y向位移的位移传感器二14，所述PLC控制器11的输出端与伺服电机3-4和步进电机4-4连接。

[0047] 实施例2

[0048] 如图1、图2和图3所示，本实施例的金属材料表面纳米化装置，包括机架1和水平设置于机架1上方的工作平台2，机架1与工作平台2之间设置有用于控制工作平台2沿Y方向运动的Y向进给系统3和用于控制工作平台2沿X方向运动的X向进给系统4；所述工作平台2上设置有凹槽5，用于将金属材料6固定安装于工作平台2上的夹具7通过凹槽5安装于工作平台2上，工作平台2上方设置有用于摩擦金属材料6的摩擦机构8；所述机架1上位于工作平台2上方安装有与摩擦机构8固定连接并用于向摩擦机构8施加压力的载荷系统9。

[0049] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述机架1包括底座1-1和与底座1-1固定连接的龙门架1-2，龙门架1-2上部设置有与底座1-1平行的固定件1-3，所述Y向进给系统3和X向进给系统4叠设于底座1-1上方，所述载荷系统9安装于固定件1-3上。

[0050] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述固定件1-3上设置有用于向金属材料6与摩擦机构8接触位置喷射润滑剂的管道10；所述管道10与润滑剂储存罐相连通。

[0051] 如图4所示，本实施例中所述载荷系统9包括安装于固定件1-3上的表面车有螺纹的轴9-1，套于轴9-1上且位于固定件1-3下方的弹簧9-3，和安装于轴9-1底部的用于固定摩擦机构8的固定架9-4，固定件1-3与弹簧9-3之间设置有用于调节弹簧9-3的压缩量从而通过固定架9-4向摩擦机构8施加压力的螺母9-2，螺母9-2与所述螺纹相配合。

[0052] 如图1、图2和图3所示，本实施例中所述Y向进给系统3包括支撑板一3-1、固定于支撑板一3-1上方的导轨一3-2和安装于支撑板一3-1上的滚珠丝杠一3-3，以及与滚珠丝杠一3-3连接的伺服电机3-4；所述X向进给系统4包括安装于导轨一3-2上方的支撑板二4-1、固定于支撑板二4-1上方的与导轨一3-2方向垂直的导轨二4-2和安装于支撑板二4-1上的滚珠丝杠二4-3，以及与滚珠丝杠二4-3连接的步进电机4-4；所述支撑板二4-1底部设置有与导轨一3-2相配合的导槽一4-5；所述工作平台2底部设置有与导轨二4-2相配合的导槽二2-1；所述滚珠丝杠一3-3由螺杆一、滚珠一和螺母一组成，所述螺母一与支撑板二4-1固定连接；所述滚珠丝杠二4-3由螺杆二、滚珠二和螺母二组成，所述螺母二与工作平台2固定连接。

[0053] 本实施例中所述摩擦机构8为直径为10mm～20mm的硬度不小于12GPa的硬质合金圆球。

[0054] 如图5所示，本实施例的装置还包括监控系统，所述监控系统包括PLC控制器11和与PLC控制器11连接的人机交互单元12，所述PLC控制器11的输入端连接有设置于工作平台2上且用于检测X向位移的位移传感器一13和设置于支撑板二4-1上且用于检测Y向位移的位移传感器二14，所述PLC控制器11的输出端与伺服电机3-4和步进电机4-4连接。

[0055] 本发明的工作过程是：用夹具7将待纳米化的金属材料6固定于工作平台2上，根据金属材料6表面所要纳米化的程度，通过旋转螺母9-2调节弹簧9-3的压缩量(当弹簧9-3处于不受压的情况下，摩擦机构8与金属材料6自然接触)从而向摩擦机构8施加压力，通过人机交互单元12设置Y向进给系统3和X向进给系统4的运行参数，并通过PLC控制器11控制工作平台2沿X方向做往复运动从而实现摩擦机构8对固定于工作平台2上的金属材料6的滑动摩擦，当金属材料6沿X方向往复运动一次时，控制工作平台2沿Y方向平移10μm～100μm，持续运行直至整个金属材料6表面均完成滑动摩擦，滑动摩擦过程中可向管道10中通入惰性气体或润滑剂，以避免摩擦过程中金属材料6表面氧化。

[0056] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。