一种机械能辅助热扩散渗装置

本发明涉及金属材料表面强化领域，特别涉及一种机械能辅助热扩散渗装置。

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机械能辅助热扩散渗装置，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，一种机械能辅助热扩散渗装置，包括渗罐、传动机构和装夹机构，其特征在于，所述渗罐由两个半圆形的罐体组合而成，所述传动机构由输入轴、支撑架、输入齿轮、中间齿轮a、中间齿轮b和输出齿轮组成，传动机构的总传动比为0.2~0.33，所述支撑架由左三角板、右三角板、中间轴a和中间轴b组成，中间轴a和中间轴b两端设置有螺纹，中间齿轮a通过键固定在中间轴a上，中间齿轮b通过键固定在中间轴b上，所述支撑架安装在左盖板上，左盖板安装在保温箱上，所述中间齿轮a同时与输入齿轮和中间齿轮b啮合，输出齿轮与中间齿轮b啮合，输入齿轮固定在输入轴上，输出齿轮穿过输入轴通过左法兰固定在罐体上，所述装夹机构固定在输入轴上，罐体内设置有弹丸和渗剂，罐体和保温箱之间设置有加热板，所述弹丸的线速度为1.25~3.34 m/s，罐体的半径r 与弹丸线速度 满足公式 ，所述输入轴通过轴承分别与左盖板、保温箱和罐体连接，所述罐体内表面设置有衬板。

3、优选的，所述中间齿轮a两侧通过轴套a进行定位，中间齿轮b两侧通过轴套b进行定位。

4、优选的，所述装夹机构由环形圈、固定法兰和装夹板组成，装夹板通过螺栓固定在环形圈上，固定法兰上设置有安装紧顶螺丝的螺纹孔，环形圈通过固定法兰固定在输入轴上。

5、优选的，所述输入齿轮、中间齿轮a、中间齿轮b和输出齿轮的模数相等。

6、优选的，所述弹丸的直径为2~4mm。

7、优选的，所述衬板与罐体内壁的夹角为30°~60°。

8、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%。

9、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。

10、一种机械能辅助热扩散渗装置的装配方法为：第一步，将中间齿轮a安装在中间轴a上，通过轴套a对中间齿轮a进行定位，将中间齿轮b安装在中间轴b上，通过轴套b对中间齿轮b进行定位，将装配好的中间轴a与中间轴b穿过右三角板，采用螺母进行固定，将轴瓦安装在左法兰上，穿过右三角板后将输出齿轮通过键固定安装在左法兰上；第二步，将输入齿轮通过键固定安装在输入轴上，将装配好的输出齿轮与左法兰安装在输入轴上，将输入轴、中间轴a与中间轴b穿过左三角板，将轴承a安装在输入轴上，将左三角板通过螺母安装在左盖板上；第三步，将轴承b安装在输入轴上，将装夹板通过螺栓固定在环形圈上，环形圈安装在固定法兰上，通过紧顶螺丝将固定法兰安装在输入轴上，将工件安装在装夹板，将轴承与右法兰组件安装在输入轴上；第四步，将弹丸和渗剂放入罐体内，将第三步装配好的输入轴安装在罐体上，通过螺栓将两个半圆形的罐体组合在一起，将左法兰和右法兰组件通过螺栓固定在渗罐上；第五步，将加热板固定在保温箱内壁，将右轴承组件安装在输入轴上，将装配好的输入轴及罐体放入保温箱内，通过螺栓将两个半圆形的保温箱装配成整体，通过螺栓将左盖板、左轴承盖板和右轴承组件固定在保温箱上。

11、本发明的有益效果是：传动机构由输入轴、支撑架、输入齿轮、中间齿轮a、中间齿轮b和输出齿轮组成，利用中间齿轮a同时与输入齿轮和中间齿轮b啮合，输出齿轮与中间齿轮b啮合，输入齿轮固定在输入轴上，输出齿轮穿过输入轴通过左法兰固定在罐体上，根据齿轮啮合原理，输入齿轮与输出齿轮的旋转方向相反，进一步使得输入轴与罐体的旋转方向相反。弹丸在罐体的带动下做圆周运动，当旋转产生的离心力小于重力时，弹丸做抛落运动，与安装在输入轴上的工件产生相对碰撞，在工件表面形成塑性变形层，致使其表层晶粒细化至纳米量级，既解决了现有滚动式热扩散渗工艺中渗入元素扩散通道不足的问题，又解决了表面纳米化预处理方法中晶粒在高温下的热稳定性问题，进而实现材料表面纳米化过程与元素扩散过程同时进行，提高元素的扩散速度，增加渗层厚度。但是当旋转产生的离心力大于重力时，弹丸不会落下，因此，为了保证弹丸能够顺利做抛落运动，根据离心力与重力的计算公式，罐体的半径r 与弹丸线速度 满足公式 。

12、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1~10 mm，振动频率为50~20 khz，弹丸速度为5~20 m/s。在本技术中，传动机构的总传动比为0.2~0.33，根据转速与传动比的关系，输入转速是输出转速的3~5倍。由于弹丸与工件的运动方向相反，当传动机构的总传动比为0.2时，要达到相对冲击速度为5~20 m/s的情况，弹丸的线速度可设置为0.83~3.34 m/s；当传动机构的总传动比为0.33时，要达到相对冲击速度为5~20 m/s的情况，弹丸的线速度可设置为1.25~5 m/s。同时，考虑到罐体的半径与弹丸的线速度成正比，因此，设置弹丸的线速度为1.25~3.34 m/s。并且在需要较大的相对冲击速度时，可以选择小的传动比，以达到减小罐体半径的目的。

13、支撑架由左三角板、右三角板、中间轴a和中间轴b组成，中间轴a和中间轴b两端设置有螺纹，便于传动机构的安装。罐体和保温箱由两个半圆形截面箱体组成，提高了装配的便捷性与效率。