冶金机械设备现代维修技术

四川机电职业技术学院学习情境二：冶金机械设备现代维修技术模块八：其它修复技术简介一、表面形变强化（或称表面机械强化）表面形变强化原理是，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高，有利于提高零件抗疲劳强度和使用寿命。表面形变强化工艺方法简单、成本低廉、强化效果显著，在机械设备维修领域中常用，其名目也十分繁多，常用的强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等，现对其介绍如下：滚压强化是指利用经过淬硬和精细抛光过的、可自由旋转的滚柱或滚珠，对零件表面进行挤压，以提高加工表面质量的一种机械强化加工方法。滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性，提高零件承载能力。滚压加工可减小表面粗糙度值2～3级，提高硬度10%～40%，表面层耐疲劳强度一般提高30%～50%，耐磨性提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。1、滚压强化滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角，特别适用于形状简单的大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，通过表面滚压处理后，其表面质量有了显著提高，很好的提高了经济效益。实例：轴类零件滚压滚柱滚压是最简单最常用的冷压强化方法。单滚柱滚压压力大且不平衡，这就要求工艺系统有足够的刚度；多滚柱滚压可对称布置滚柱以滚压内孔可外圆，减小了工艺系统的变形；这种方法也可滚压成形表面或锥面。滚珠滚压接触面积小，压强大，滚压力均匀，用于对刚度差的工件进行滚压，亦可做成多滚珠滚压。离心转子滚压是利用离心力进行滚压的方法。滚球或滚柱的重量、转子直径及转速决定了滚压力的大小，一般成正比关系。实例：油缸内孔滚压挤压加工是利用截面形状与工件孔形相同的挤压工具（胀头），在两者间有一定过盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面强化的工艺措施。内挤压强化原理是：利用棒、衬套、模具等特殊的挤压工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。2、内挤压强化内挤压效率较高，效果较好，方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件，主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔等。可采用单环可多环挤刀，后者与拉刀相似，挤后工件孔质量提高。2、内挤压强化载重汽车挺柱体的冷挤压喷丸强化是用压缩空气或离心力等将珠丸高速、连续喷出，撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成冷硬层和残余压应力。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的拉应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高零件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能，延长零件使用寿命。喷丸强化主要用于强化形状比较复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴、链条等，也可用于一般零件，如板弹簧、螺旋弹簧、履带销、焊缝、轴、叶片等。3、喷丸强化。大型转台式抛喷丸清理机钢管内壁抛喷丸。图：管道内壁喷丸图：喷丸用玻璃微珠图：常用的冷压强化工艺方法a）单滚柱或多滚柱滚压b）单滚珠或多滚珠滚压c）钢珠挤压和涨孔d）喷丸强化四川机电职业技术学院1、表面热处理强化二、表面热处理强化和表面化学热处理强化表面热处理是通过对零件的表层进行加热、冷却，表层发生相变，从而改变表层组织和性能，而不改变其表层成份的热处理工艺，也称作表面淬火技术。表面热处理是一种发展较早、应用较广的表面工程技术。随着科学技术的进步，尤其是新型热源的出现，使表面热处理技术日益完善。四川机电职业技术学院表面淬火的原理是：用电磁感应、火焰、激光等加热方法对零件表面迅速加热，使表面材料快速加热到相变临界点以上而转变为细小的奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保持原有组织，其后用水或油、或依靠母材快速冷却达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，从而提高了零件的表面硬度和耐磨性。而零件心部因未发生相变，仍保持其强度高、韧性好的性能特点。这种表面处理方法常用于齿轮、轴类的表面强化。按照加热方式，传统表面热处理可分为感应加热、火焰加热、电接触加热、浴炉（高温盐溶炉）加热等表面淬火工艺。四川机电职业技术学院图：大型齿轮表面淬火四川机电职业技术学院图：导轨表面淬火四川机电职业技术学院图：钢轨表面淬火四川机电职业技术学院2、表面化学热处理强化化学热处理：指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分，组织和性能的热处理工艺。化学热处理与一般热处理的区别在于：它通过改变钢表面的化学成分和组织，达到改善表面性质的目的，使得用单一材料制作的零件，在表面和心部具有显著不同的两种性能。它在工业中得到越来越广泛的应用。四川机电职业技术学院化学热处理是古老的工艺之一，在中国可上溯到西汉时期。已出土的西汉中山靖王刘胜的佩剑，表面含碳量达O.6～0.7%，而心部为O.15～O.4%，具有明显的渗碳特征。明代宋应星撰《天工开物》一书中，就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。明代方以智在《物理小识》“淬刀”一节中，还记载有“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”。硝是含氮物质，当有一定的渗氮作用。这说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺，早在古代就已被劳动人民所掌握，并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。四川机电职业技术学院按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳(硫氰)共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。化学热处理的目的：主要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。每一种化学热处理工艺都各有其特点，可根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。四川机电职业技术学院图：气体渗碳、碳氮共渗炉三、电火花强化图：金属模具缺陷电火花修补冷焊机电火花强化是以直接放电的方式向零件表面提供能量，并使之转化为热能和其它形式的能量，以达到改变表层化学成分和金相组织的目的，从而是表面性能提高。1、电火花强化原理组成电火花强化设备的最基本部件是脉冲电源和振动器。前者供给瞬时放电能量；后者使电极振动并周期地接触工件。当电极棒（焊条）在工作表面旋转，当某些部位间隙很小时，使主机放电回路形成通路。在他们相互接触的微小区域瞬时流过电流，电流密度可达到105～106A/cm2，而放电时间仅10-6～10-5秒，由于放电能量在时间上和空间上高度集中，在放电微小的区域内产生了约8000℃～10000℃的高温，使该区域的局部材料高能离子化。1、电火花强化原理电极棒（焊条）在等离子冶金状态下高速转移到工件表面，并扩散进入到工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。主机电源放电周期为10-3～10-1秒，高频率的放电和电极棒（焊条）在工件表面的高速旋转扫描，可实现大面积高效率的沉积涂层。简单地说，电火花强化的原理，就是直接利用火花放电的能量，使电极材料在工件表面形成特殊性质的合金层。当然，除了形成合金层，电火花改善工件表面性能还有另外一些原因，比如火花放电的骤热骤冷作用具有表面淬火的效果；用石墨电极强化则有表面渗碳的效果等。图：电火花强化过程示意图其中：R：限流电阻；C：储能电容器2、电火花强化过程该过程包括强化前准备，实施强化和强化后处理三个方面：强化前准备：首先了解工件的性质和要求，以便确定是否采用电火花强化工艺。其次，确定强化的部位，并清洁强化部位，最后选择好强化设备、强化规准和电极材料。在有条件的情况下，或强化的工件比较特殊的时，最好能用同样材料制成的试块进行强化试验。实施强化，是电火花强化的重要环节，包括安置设备、工件及电极；调整电极与工件强化表面的夹角；选择电极移动方式和掌握电极移动速度；去除瑕疵等。强化后处理包括表面清理和表面质量检查等。3、电火花在机械设备维修中的应用我国运用电火花运用电火花强化工艺始于五十年代。由于当时在基础理论和应用技术等方面缺乏研究，加之强化设备本身也存在某些问题，因此未能得到推广。在七十年代，这项被遗忘的工艺因在刀具、模具等上的运用所取得的明显的效果，而重新引起重视。目前，已被广泛应用在模具强化、刀具强化、机械零件（尤其是易摩擦磨损的零件）强化、磨损件的微量修补。此外，通过使用强化机上配置的附件和极性开关，还可以对工件进行电火花加工，用于取出折断的丝锥或钻头，在淬硬的工件上加工小孔等。3、电火花在机械设备维修中的应用但是应该注意电火花加工也存在一些缺点：通常使用的设备的强化厚度仅0.02～0.05mm；表面粗糙度一般仅为Ra1.25～5μm；手工操作的强化速度较慢，强化生产率为0.2～0.3cm2/min；强化层的均匀性、连续性较差。因此，限制了强化工艺在某些场合的运用。然而，如果我们能充分认识该工艺的特点，并合理运用，作为一项特殊的表面处理技术，它将具有广泛的应用潜力。图；电火花修补示意图四川机电职业技术学院四、激光表面处理四川机电职业技术学院激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。它的原理早在1917年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。四川机电职业技术学院（1）定向发光。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1、激光的特点（2）亮度极高。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。（3）、颜色极纯。光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好四川机电职业技术学院激光表面处理原理通过将高功率密度激光束向工件表面进行照射，光能被工件表面所吸收，并转换成热能，由此实现表面处理。激光表面处理设备主要包括激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统等构成。2、激光表面处理技术四川机电职业技术学院激光表面处理技术主要有激光表面强化、激光表面涂敷、激光表面非晶态处理、激光表面合金化、激光气相沉积等。（1）激光表面强化（2）激光表面涂敷（3）激光表面非晶态处理（4）激光表面合金化（5）激光表面气相沉积四川机电职业技术学院轴磨损的激光修复轧辊轴头的激光堆焊四川机电职业技术学院五、电子束表面处理电子束在表面改性方面的应用起始于上个世纪70年代。电子束表面处理设备包括高压电源、电子枪、低真空工作室、传动机构、高真空系统和电子控制系统等。四川机电职业技术学院电子束表面处理的主要特点有：1、电子束聚焦性极好，