第六章-表面改性技术

LOGO第六章表面改性技术什么是表面改性？表面改性是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。改性后的应用范围？材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐高温、合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）。表面改性的优点？表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并能推进高新技术的发展。Contents感应加热表面淬火2金属表面热化学处理4火焰加热表面淬火33金属表面形变强化31金属表面形变强化原理表面形变强化？表面形变强化是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成深度为0.5mm~1.5mm的形变硬化层。在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变程度增大。硬化层的变化形成较高的宏观残余压应力金属表面形变强化原理以喷丸为例，奥赫弗尔特对于残余应力的产生提出两方面机制由于弹丸的冲击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸金属表面形变强化原理根据赫芝理论，这种残余应力在一定深度内造成了最大的切应力，并在表面产生了残余压力金属表面形变强化原理表面压应力防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。在大多数材料中这两种机制并存。在软质材料情况下第二种机制占优势；而在硬质材料的情况下第一种机制起主导作用。经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。具有较高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可比材料自身屈服点高1~3倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。一些表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。金属形变强化的主要方法表面形变强化是近年国内外广泛研究应用的工艺之一，成本低廉，强化效果显著以喷丸强化应用最为广泛喷丸孔挤压滚压常用的金属表面形变强化方法主要有喷丸、孔挤压和滚压等工艺金属形变强化的主要方法喷丸强化工艺参数的确定喷丸强化的原理喷丸强化的应用实例喷丸材料喷丸强化用的设备1.喷丸金属形变强化的主要方法喷丸强化的原理陶瓷弹丸聚合塑料弹丸液态喷丸介质铸钢弹丸玻璃弹丸钢丝切割弹丸铸铁弹丸喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并产生残余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。金属形变强化的主要方法铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸，冷硬铸铁弹丸wc=2.75%~3.60%，硬度很高，可达到58~65HRC，但冲击韧性较低。弹丸经退火处理后，硬度降低至30~57HRC，但可提高弹丸的韧性。铸铁弹丸的尺寸为d=0.2-1.5mm，使用中，铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。此种弹丸强化目前应用很少。铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳质量分数有很大关系，其wc=0.85%~1.20%之间，wMn=0.60%~1.20%。目前国内常用的铸钢弹丸，wc=0.95%~1.05%，wMn=0.6%~0.8%，wSi=0.4%~0.6%，wp、ws≤0.005%。玻璃弹丸：这是近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中广泛应用。玻璃弹丸wSi67%，直径在d=0.05~0.4mm，硬度在46~50HCR，脆性较大。密度为2.45~2.55g/cm3。目前市场上按直径分为≤0.05mm，0.05mm~0.15mm，0.16mm~0.25mm和0.26mm~0.35mm等四种。金属形变强化的主要方法钢丝切割弹丸：当前使用的钢丝切割弹丸是wc=0.7%的弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段，经磨圆加工制成的。常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50HRC为最佳。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高20倍左右。陶瓷弹丸：弹丸硬度很高，但脆性较大，喷丸后的表层可获得较高的残余应力。聚合塑料弹丸：是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低，即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。金属形变强化的主要方法液态喷丸介质：其包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等，二氧化硅颗粒粒度为40~170μm，很细的可用于液态喷丸，抛光模具或其他精密零件的表面。喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。氧化铝颗粒也是一种广泛应用的喷丸介质，电炉生产的氧化铝颗粒粒度为53~1700μm，其中颗粒小于180μm的氧化铝可用于液态喷丸，光整加工，但喷射工件中会产生切屑。氧化铝干喷则用于花岗岩和其他石料的雕刻，钢和青铜的清理，玻璃的装饰加工。应当指出，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。金属形变强化的主要方法喷丸强化用的设备按驱动弹丸的方式分为：①机械离心式喷丸机②气动式喷丸机喷丸机又有干喷和湿喷之分，干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。金属形变强化的主要方法机械离心式喷丸机：又称叶轮式喷丸机或抛丸机。工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。弹丸的速度取决于叶轮转速和弹丸的质量。这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高。主要适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。气动式喷丸机：工作时以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。而且可通过调节压缩空气的压力控制喷丸强度，操作灵活。一台喷丸机可喷多个零件，适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。缺点是功耗大，生产效率低。金属形变强化的主要方法气动式喷丸机根据弹丸进入喷嘴的方式又分为吸入式、重力式和直接加压式三种。吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、弹丸大小经常变化的场合，如实验室等。重力式喷丸机结构比吸入式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸。不论那一类设备，喷丸强化的全过程必须实行自动化，而且喷嘴距离、冲击角度和移动（或回转）速度等的调节都稳定可靠。金属形变强化的主要方法喷丸强化工艺参数的确定合适的喷丸强化工艺参数要通过喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。①喷丸强度试验。将一薄板试片紧固在夹具上进行单面喷丸，由于喷丸面在弹丸冲击下产生塑性变形而伸长，喷丸后的试片产生凸向喷丸面的球面弯曲变形，试片凸起大小可用弧高度ƒ表示。弧高度ƒ与试片厚度h、残余压力层深度d以及强化层内残余应力平均值σ有如下关系E为试片弹性模v为泊松比a为测量弧高度的基准圆直径金属形变强化的主要方法试片材料一般采用具有较高弹性的70弹簧钢，试片尺寸应根据试片喷丸强度来选择，常用的三种试片规格参见表6-1。当试片A（或II）测得的弧高度ƒ＜0.15mm时，应改用试片N（或I）来测量喷丸强度；当用试片A（或II）测得的弧高度ƒ＞0.6mm时，应改用试片C（或III）来测量喷丸强度。金属形变强化的主要方法②表面覆盖率试验。喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面积的比值称表面覆盖率。一般认为，喷丸强化零件要求表面积覆盖率达到表面积的100%即全覆盖时，才能有效改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。但是在实际生产时应尽量缩短不必要的过长的喷丸时间。③选定喷丸强化工艺参数。金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确定。金属形变强化的主要方法喷丸强化的应用实例①20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从55万次提高到150~180万次；②40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从4.6×105次提高到1.04×107次以上；③铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1×106次提高到1×108次以上；④在质量分数为3%的氯化钠水溶液中工作的45钢，经喷丸处理后，其疲劳强度从100MPa提高到202MPa；⑤铝合金[wZn=6%、wMg=2.4%、wCu=0.7%、wCr=0.1%]悬臂梁试验，经喷丸处理后，应力腐蚀临界应力从357MPa提高到400MPa；⑥耐蚀镍合金（Hastelloy合金），鼓风机叶轮在150℃氮气中运行，六个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并经玻璃珠去污，Hastelloy合金B2反应堆容器在焊接后，局部喷丸以对应力腐蚀裂纹进行修复，在未喷丸表面重新出现裂纹，而经喷丸处理的部分几乎未产生进一步破裂。⑦液体推进容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40℃以下使用14h就发生应力腐蚀破坏，容器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金（Incone1718）涡轮盘等制造中获得应用。ZnwZnw金属形变强化的主要方法2．孔挤压:内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺，效果明显。美国已发表专利。3．滚压:图（a）为表面滚压强化示意图。目前滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准。对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压力，其分布如图（b）所示。（a）（b）感应加热表面淬火感应加热表面淬火就是将感应圈放置在距工件很近的外表面或内表面，通以快速交变电流，利用钢铁的感应电流使表面迅速发热，然后喷水冷却，达到淬火的目的。感应加热表面淬火的原理感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的“集肤效应”、“临近效应”和“环状效应”。“集肤效应”原理如图。在导体的表面施加交变磁场时，磁力线大部分集中在导体表面通过，感生电流也就主要产生于导体表面。如果导体与感应圈间隙足够小，则磁力线全部为导体所吸收，在高频的交流电作用下，表面会在很短时间内产生很大的感生电流，使表面迅速发热，而很快达到临界点（AC3、ACm）以上。感应加热表面淬火的原理“临近效应”表现为，两个相邻载有高频电流的导体由于磁场相互影响，磁力线将重新分布，当两个导体内电流方向相同时，电流从外侧通过；当电流相反时，电流从内侧通过。“环状效应”使之高频电流通过环状或螺旋状导体时，最大电流密度分布在环状导体内侧，外侧实际没有电流。这种效应对加热圆形工件外表面是有利的，而对于圆形工件内表面加热则是不利的，磁力线大部分损失，即漏磁很大，为解决这一问题，一般采用加装导磁体来改变磁力线，使其从内侧移向外侧，如图6-6所示。感应加热表面淬火的特点（1）加热速度范围宽，可在3～1000℃/s，加热时间短，一般几秒至几十秒就可以完成，晶粒更细。奥氏体晶粒最高可达14～15级，因为晶粒细小，淬火后可以获得隐晶马氏体，硬度很高。比一般淬火硬度高出2~4HRC，因此耐磨性较高。（2）工艺参数容易调节和控制。比如通过调整输出功率、频率和加热时间来准确地控制淬火层深度、硬度。对于同一批工件来说，一旦工艺参数确定，则可以稳定下来，不必再进行调整。因而工效很高，可以实现机械化作业，特别适合大批量生产。（3）因为加热速度快，表面氧化