一种表面纳米化粉末渗金属装置

本发明涉及金属材料表面强化领域，特别是涉及一种表面纳米化粉末渗金属装置。

背景技术：

1、金属材料表面的缺陷、微晶纳米结构，会加速表面化学反应与扩散过程的进行，促进表面涂层的形成，在利用这些因素制备涂层的方法中，通常经过两个步骤：首先用物理的方法，使表面组织结构发生改变，形成表面含有大量缺陷的微晶纳米结构；然后，利用表面化学热处理的方法，通过活性原子的扩散形成表面涂层。张伟等人在专利“一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法”(专利公开号:cn102409282a)中采用一种钛铝基金属间化合物材料低温渗碳技术，具体做法是用常规方法将金属材料表面纳米化处理，再进行500°c~800°c低温渗碳，并在样品表面制备出4~9um厚的渗碳层。但是纳米结构材料本身面临着一个问题——热力学不稳定性。由于纳米材料具有极高的界面体积百分比，界面中存储的大量过剩自由能为晶粒长大提供了极高的驱动力。由吉布斯-汤姆逊方程可知，晶粒长大的驱动力与晶粒尺寸成反比，当晶粒尺寸从传统粗晶材料的微米量级细化到纳米量级时，其晶粒长大的驱动力将很高。许多纳米晶体材料甚至在室温下就已经开始发生晶粒长大，而晶粒长大将导致纳米材料失去其独特的微观结构和性能，如扩散性能等。研究表明，对经纳米化预处理后的热作模具钢在不同温度下渗铬，发现在500-600摄氏度的温度区间，渗铬层厚度随温度的升高而增加，在600摄氏度时达到一个极大值，这是因为温度的升高有利于元素的扩散，而从600摄氏度到700摄氏度，铬的渗层深度随温度的升高反而降低，这主要是因为，在600摄氏度以下，纳米结构非平衡态的晶界主导铬元素的扩散，扩散速度很快，而在600摄氏度以上，随着晶粒的粗化，铬元素的扩散逐步由晶界扩散转变为体扩散为主导，扩散性能逐渐下降，在700摄氏度以上，晶粒粗化十分严重，主要以晶格扩散为主。由此可见，纳米材料在热扩散渗的过程中始终面临着晶粒长大的问题，纳米结构表层的热稳定性是制约热扩散渗效果的关键因素。

2、为了解决纳米材料在热扩散渗的过程中面临的晶粒长大问题，发明人陈海锋在专利“一种机械能辅助纳米化热扩散渗装置”（公开号：cn202210029534.1）中公开了一种机械能辅助纳米化热扩散渗装置，包括渗罐、行星传动机构和旋转轴，其特征在于，渗罐由左端盖、罐体和右端盖组成，渗罐内表面设置有内齿圈与挡板，左端盖与输入轴通过螺栓连接，右端盖与支撑轴通过螺栓连接，输入轴与电机相连，保温箱内壁与罐体外表面之间设置有加热板，行星传动机构由行星轮、行星销、行星架和太阳轮组成，行星架分别安装在左端盖和右端盖的内侧，行星轮通过行星销安装在行星架上，太阳轮固定在旋转轴上，旋转轴上设有凸台，工件固定在工件装夹板上，罐体内放置有渗剂和弹丸，渗罐转动时，挡板带动弹丸从高出落下，冲击工件表面产生塑性变形形成纳米层。但是该专利中行星传动机构的行星轮、行星架与太阳轮都是活动的，太阳轮只能随着行星轮与内齿圈一起同向旋转，弹丸与工件碰撞时的相对速度小，冲击产生的塑性变形不一定能够形成纳米层。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种表面纳米化粉末渗金属装置，解决弹丸与工件碰撞时相对速度小，冲击产生的塑性变形不一定能够形成纳米层的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种表面纳米化粉末渗金属装置，包括渗罐、传动机构和装夹机构，其特征在于，所述传动机构由固定架、输入轴、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮组成，所述第一锥齿轮固定在输入轴上，所述第二锥齿轮安装在固定架上，并可绕轴线旋转，第三锥齿轮穿过固定架通过第二联轴器与法兰套相连，并可绕输入轴旋转，输入轴穿过第三锥齿轮与法兰套通过第一联轴器与旋转轴相连；所述渗罐由左端盖，罐体和右端盖组成，所述罐体内表面均匀设置有挡板，所述左端盖与法兰套固定连接，所述右端盖与支撑轴通过螺栓连接，支撑轴通过轴承安装在保温箱右盖板上，所述罐体和保温箱之间设置有加热板，罐体内部的旋转轴上设置有左密封板、右密封板和装夹机构，工件安装在装夹机构上，左密封板和右密封板与罐体内表面均为间隙配合，左密封板和右密封板之间设置有弹丸和渗剂，所述弹丸的线速度为2.5~10m/s，罐体的半径r与弹丸线速度满足公式，g为重力加速度。

3、优选的，所述旋转轴为花键轴。

4、优选的，所述装夹机构由环形凸台、轴套、装夹板和螺栓组成，环形凸台和轴套内侧均设置有与旋转轴配合的键槽。

5、优选的，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮的模数与齿数分别相等。

6、优选的，所述左端盖和右端盖通过螺栓固定在罐体两端。

7、优选的，所述左盖板和右盖板通过螺栓固定在保温箱两端。

8、优选的，所述左密封板和右密封板通过螺栓固定在旋转轴上。

9、优选的，所述左密封板和右密封板与罐体内表面之间的间隙小于渗剂的直径。

10、优选的，所述弹丸的直径为2-4mm。

11、优选的，所述挡板与罐体内壁的夹角为30°~60°。

12、优选的，所述渗剂由纯金属粉或合金粉与填充剂和催化剂组成，渗剂的成分配比按重量百分比计为:纯金属粉或合金粉50-70%，填充剂20-49%，催化剂1-10%。

13、优选的，所述金属粉是锌粉、或铝粉、或铜粉、或锰粉，合金粉是铬-铝，或铁-锌，或铁-铝，或铝-稀土合金，填充剂是氧化铝或氧化硅，催化剂是氯化物或氟化物，粉剂粒度为100-300目。

14、本发明的有益效果是，传动机构由固定架、输入轴、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮组成，由于第一锥齿轮固定在输入轴上，第二锥齿轮安装在固定架上，并可绕轴线旋转，第三锥齿轮穿过固定架通过第二联轴器与法兰套相连，并可绕输入轴旋转，输入轴穿过第三锥齿轮与法兰套通过第一联轴器与旋转轴相连。因此，输入轴在带动旋转轴旋转的同时带动第一锥齿轮旋转，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮与第三锥齿轮啮合，根据啮合原理，第一锥齿轮与第三锥齿轮的旋转方向相反，而第三锥齿轮通过法兰套与罐体的左端盖连接，使得罐体的旋转方向与旋转轴的旋转方向相反。利用渗罐内部均匀设置的挡板带动弹丸和渗剂运动，在渗罐转动到一定的角度时，弹丸和渗剂在重力与离心力的共同作用下做抛落运动，对工件表面进行多方向的撞击，由于弹丸的运动方向与工件的旋转方向相反，使得弹丸与工件的相对碰撞速度增大，解决现有技术中弹丸与工件相对碰撞速度不足的问题，有利于在工件表面产生塑性变形形成纳米层，形成大量元素扩散需要的空位，加速渗层的生成。与预纳米化后再进行热扩散渗的区别在于，尽管在热扩散渗的过程中，会发生晶粒的回复与新的合金相的生长，但是弹丸和渗剂的撞击在新合金相中也会产生位错，使得晶粒的纳米化过程与新相的生长同时进行，有效解决了经纳米化预处理后的材料在热扩渗过程中面临的晶粒长大问题。

15、但是弹丸冲击速度太小，很难在工件表面产生足够的塑性变形，不能在工件表面形成纳米化的效果，弹丸冲击速度太大，容易在工件表面和亚表面形成微裂纹等损伤，影响工件的服役性能。目前常用的利用弹丸冲击来实现表面纳米化的方法有旋转加速喷丸、表面机械研磨、超声喷丸和高能喷丸等。其中表面机械研磨所用弹丸直径为1~10mm，振动频率为50~20 khz，弹丸速度为5~20 m/s，在本技术中，由于传动机构中第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮的齿数与模数分别相等，弹丸与工件的旋转速度相等，运动方向相反，忽略工件安装位置半径的影响，则弹丸与工件的线速度大小相等，方向相反。因此，设置弹丸的线速度为2.5~10m/s，既可保证弹丸碰撞后能够在工件表面产生纳米层，又不会对工件表面造成微观损伤。此外，弹丸在运动过程中同时受重力和离心力的作用，在竖直位置，当弹丸所受离心力大于重力时，弹丸将沿着罐体内壁做圆周运动，不会掉下，只有在竖直位置，当弹丸所受的离心力小于重力时，弹丸才会在重力与离心力的共同作用下做抛落运动，因此，罐体的半径r与弹丸线速度满足公式。

16、旋转轴采用花键轴，装夹机构由环形凸台、轴套、装夹板和螺栓组成，环形凸台和轴套内侧均设置有与旋转轴配合的键槽，方便装夹机构在旋转轴上快速安装与定位。