表面强化技术

概述表面强化技术：在这里指材料表面不增加外来材料的情况下，靠施加外力或热处理等手段改变材料表面的组织结构，从而提高表面强度、硬度、抗疲劳和应力腐蚀性能的工艺方法。•表面形变强化•表面相变强化8.1表面形变强化•原理•喷丸强化•表面滚压技术•孔挤压强化一、原理•1.定义：是指在金属材料表面施加外力，使表面比较薄的一层发生塑性变形，晶粒得到细化，从而提高零件表面疲劳强度和抗应力腐蚀能力的工艺手段。•2.机理：加工硬化机理。即随变形量的增加，金属强度硬度升高，塑性韧性下降。•2.机理：加工硬化机理。即随变形量的增加，金属强度硬度升高，塑性韧性下降。•原因：a、位错密度随变形量增加而增加，从而变形抗力增加；b、随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍；c、随变形量增加，空位密度增加；d、几何硬化。二、喷丸强化1.原理：喷丸强化又称为受控喷丸强化，是在室温下利用高速喷射的细小硬质弹丸打击工件表面，使表面层在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高表面疲劳强度和抗应力腐蚀的能力。例：重要的焊接件的焊缝及热影响区采用受控喷丸后，拉应力可以转变为压应力，从而改善焊缝区域的疲劳强度。汽车用钢板弹簧喷丸后疲劳寿命可延长5倍。例如：合金高强钢18Cr2Ni4WA，末喷丸处理前的疲劳寿命为1.38×105。次(裁荷+-600MPa)；经喷丸强化后的疲劳寿命达1.04×107(喷九后的表面压应力为800MPs)，疲劳寿命提高了74.3倍。例：综上所述，喷九强化技术是一种使用简便、成本低、应用范围广的零件表面强化技术。它的强化效果主要表现在延长承受交变负荷的零件使用寿命。这个效果特别明显，也特别立竿见影，是其它强化方法难以比拟的。•2.喷丸强化的设备•（1）叶轮式喷丸机•（2）气动式喷丸机（1）叶轮式喷丸机•特点：叶轮式喷丸机中弹丸流的位置与速度都不易改变，常用于形状简单批量较大的工件。•（2）气动式喷丸机•特点：依靠调节空气压力来改变弹丸的速度，适合于表面形状复杂的零件和批量较小的生产条件。技术关键：是根据零件的材料和形状特点控制弹丸流的速度和控制零件表面与弹丸流的相对运动。•3.喷丸强化的弹丸•受控喷丸使用的弹丸有铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。选择弹丸时，不仅要考虑零件的工艺要求，包括喷丸面预期的形变层深度、最大残余压应力值和表面粗糙度，还要考虑喷丸设备条件和弹丸的消耗等。•一般地，钢制零件选用铸钢或铸铁丸，以得到较深的塑性变形层和较大的残余压应力值，但是要求获得较低粗糙度表面时，常采用玻璃丸。不锈钢、铝合金、钛合金一般也采用玻璃丸。•4.受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响（1）对材料表面硬度影响硬度大幅度提升，硬化层最高可达1.5mm。（2）对材料表面粗糙度影响（3）对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响可以大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。例如，对纯铁、1Cr18Ni9Ti不锈钢、20钢、45钢和60Si2Mn钢进行喷丸以后，疲劳强度提高14%～47%不等。•5.受控喷丸技术的典型应用•主要应用承载的机械零件。如飞机起落架、框架、大梁、发动机，汽车车轴、叶片等。6.喷丸新技术－旋片喷丸技术20世纪80年代，我国航空维修单位开始应用旋片喷丸技术，它是喷丸技术的一个分支和新发展。旋片喷丸的喷丸是通过特种牢固剂牢固地固定在旋片上。旋片以高速旋转并反复撞击零件表面而达到喷丸强化的目的。强化效果极佳。6.喷丸新技术－塑料喷丸退漆为对飞机等重要大型结构件的表面进行表面无损检测寻找疲劳裂纹和硬性损伤，首要的表面工艺是退漆。传统的方法是使用化学剂剥离或用砂轮手工打磨，这两种方法均存在不足之处。塑料喷丸退漆是近年来发展起来的新工艺。其原理为：颗粒状塑料在压缩空气的作用下．通过喷管高速喷射到工件表面在塑料丸较锋利的棱角切割和冲撞击打双重作用下使漆层表面发生割裂和剥离，从而达到高效退漆的目的。6.喷丸新技术－空气火焰超音速表面喷砂、喷丸空气火焰超音速表面喷砂、喷丸：空气火焰超音速表面预处理技术，是利用气体燃料或液体燃料与高压电气或高压空气．在超音速喷枪燃烧室内混合燃烧膨胀产生高温高速焰流．从而带动砂粒或丸粒以超音速喷向零件处理表面。燃烧焰流速度达1500m/s以上，粒子速度为300—600m/s，从而可获得高效优质的表面预处理效果。超音速表面喷丸的生产效率是普通喷九的2—4倍、特别适用于大型结构件表面高效喷丸强化。三、表面滚压技术•1.定义：是在一定压力作用下，滚球或辊轴对被加工零件表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。3.特点：表面改性层最大深度达5mm以上。4.应用：只适合一些形状简单的平板类零件、轴类零件和沟槽类零件等，对形状复杂的零件表面就无法应用了。四、孔挤压强化•1.定义：利用特定的工模具（棒、衬套、开合模具等）对工件的孔壁或周边进行连续、缓慢、均匀的挤压，使其形成一定厚度的塑性变形层，达到提高表面疲劳强度和抗应力腐蚀能力的一种表面强化工艺。•2.工艺方法：棒挤压、套挤压、压印模挤压、旋压挤压。挤压棒挤压强化衬套挤压强化压印模挤压强化旋压挤压强化•3.特点：孔挤压强化主要针对内孔要求抗疲劳其它方法又无法做到的工件，比如飞机上的重要零件，压印模挤压适用于大型零件及蒙皮等关键承载件的强化；旋压挤压适用于例如起落架等大型零件的内孔强化等。外力是缓慢、均匀地施加于工件表面。直接结果是使材料表面获得预先的压应力，提高其抗疲劳和抗应力腐蚀性能。8.2表面相变强化概述感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火激光表面熔凝技术激光冲击淬火技术一、概述•1.定义：就是对钢铁材料进行表面的热处理，使表面发生组织转变，提高强度、硬度、抗疲劳性能、抗高温氧化性能等。也就是我们常说的表面淬火等工艺方法。•2.目的：使钢铁获得高的表面硬度和压应力状态，从而提高其耐磨性和疲劳强度。•特别适合承受弯曲、扭转、摩擦或冲击的零件。•3、表面淬火用材料•含碳量为0.4％-0.5％的中碳钢。•4、表面淬火后组织•表面：M回•心部：回火索氏体（调质处理）或铁素体+索氏体（正火）•5、特点：•a、加热速度快（感应加热速度可达103℃/s，激光加热则可达到105--109℃/s）且加热温度要高于整体淬火的温度；•b、冷却速度快；•c、表面硬度高（其硬度比普通淬火高HRC2～4）；•d、需预备热处理；•e、适合中高碳钢。二、感应加热表面淬火•1.原理：•利用感应电流集肤效应”，“临近效应”和“环状效应”。•基本过程：将工件放在有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使表面迅速加热到钢相变点Ac3或Accm之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表面获得M。•2.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加热，因此晶粒更细，淬火后硬度更高。比一般淬火硬度高出2-4HRC，耐磨性较高。（2）工艺参数容易调节和控制。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，表面氧化脱碳少，表面质量高，无变形，可作为最终加工工序。（4）需很大的设备投入，所以单件小批量生产时生产成本高。大型的工件淬火，它无法完成。设备无法移动，因此灵活性相对较差。•3、工艺流程和技术要点预先调质处理确定加热温度与加热方式根据工件要求选择功率设计感应加热器确定冷却方式与冷却介质制定回火工艺参数•（1）前期的预先处理中高碳钢经过调质处理后，心部可以获得强度和韧性的最佳性能配合，使用中与表面淬硬层形成配合。（2）表面硬度的选择感应加热淬火后领件的硬度应根据零件的使用性能确定：a、用于摩擦部分，如曲轴颈常用HRC55～62，凸轮轴常用HRC56～64；b、用于压碎、扭转及剪切部分的零件，硬度应高一些，如锻锤锤头表面、汽车半轴、钢板弹簧等常用HRC50～64。HRC＝20＋60(2C－1.3C2)•（4）加热温度的确定•（5）感应加热淬火设备参数确定•包括感应电源、感应圈、喷火装置。•感应电源的输出频率主要有高频(100～500KHz)、超音频(20～100KHz)、中频(0.5～10KHz)、和工频(50Hz)。频率是根据零件的尺寸和硬化层深度确定的。•4.感应加热表面淬火的应用•（1）齿轮的表面淬火。齿轮一般用调质钢制造，如45、40Cr钢经调质处理后进行表面淬火，然后自回火得表面组织为隐晶回火M，硬度54-58HRC，心部组织为回火S，硬度20-25HRC。•（2）机床导轨表面淬火。车床导轨由HT320制造，原始组织为珠光体+细片状石墨，导轨表面要求耐磨，因此用高频加热表面淬火，获得马氏体+细片状石墨，硬度提高到48～52HRC，淬硬层深度在1.5mm。三、火焰加热表面淬火•1.定义：火焰加热表面淬火就是用高温火焰迅速加热钢铁表面，然后喷水冷却，使表面获得马氏体组织的工艺方法。•2.工艺要点：使用的燃料主要是煤气(CO)或碳氢化合物（比如C2H2），还有天然气、液化石油气等；实际操作中，通过控制火焰与工件相对位置及两者相对移动速度来控制工件的表面温度、加热层深度、加热速度等。•3.对材料的要求火焰加热淬火前要对工件进行正火或调质处理，获得细粒状或细片状珠光体或回火索氏体，以得到综合机械性能。注意：由于火焰淬火加热速度比感应加热慢，工件表面的温度梯度较为平缓，所以过渡区较宽。4.火焰加热的设备火焰加热表面淬火需要的设备主要有火焰喷枪、气体储罐、喷水装置等。5、火焰加热表面淬火工艺的特点与感应加热表面淬火相比，火焰加热设备简单，投入小，移动灵活，可以对大型难以移动零部件进行加热。无需电源，相对节约能源。但是，它也有固有的不足之处即：火焰加热速度低所以生产效率低，淬硬层厚，表面晶粒不够细化，氧化脱碳现象比较明显，淬硬层的均匀性远不如感应加热淬火，质量控制存在困难。又因它的火焰喷头结构要比感应圈复杂，尺寸不可能做的过小，形状不能过于复杂。因此主要用于单件、小批量生产及大型零件如齿轮、轴、轧辊、导轨等的表面淬火。四、激光加热表面淬火•1.定义：利用聚焦后的激光束照射到工件表面，使其温度迅速上升到相变点以上然后移开激光，利用工件自身的冷却达到淬火目的。•2.特点：（1）加热和冷却速度快加热速度可以达到105～109℃/s；相应的加热时间为10-3～10-7s；冷却速度可达104～107℃/s。扫描速度越快，冷却速度越快。（2）硬度高激光淬火的表面硬度比常规淬火层高15％～20％。而铸铁淬火后耐磨性可以提高3～5倍。（3）对基体热影响小因为加热速度很快，硬化层薄(一般在0.3～0.5mm)，且硬化层深度可控，所以对基体基本没有热影响，表面几乎没有氧化脱碳，可以作为最后加工工序。（4）工艺灵活，可以对工件的局部进行加热淬火，只要是激光能达到的部位均可以进行加热。（5）因为加热快，可以靠自冷淬火，工艺过程简单，表面氧化倾向小。3、激光淬火适合的材料和零件从目前研究和应用的情况来看，激光相变硬化的主要材料是钢和铸铁，一些有色金属材料如钛合金、铝合金、铜合金、镁合金、锆合金等也可以通过激光相变达到硬化目的。激光淬火最适合需要局部表面硬化的零件，目前国内外广泛应用于汽车缸套、机床导轨、刀具、模具、农机、军工产品等。序号零件名称公司应用效果1汽车转向器箱体内孔美国通用汽车公司每件处理时间18s，耐磨性提高9倍，操作费用只有高频淬火或渗碳处理的1/52汽车曲轴、活塞环等美国通用汽车公司活塞环1只/50s，曲轴70根/h3汽车缸套前苏联莫斯科共青团汽车厂缸盖抗爆燃烧破坏寿命由190h提高到500h4汽车后桥前苏联莫斯科共青团汽车厂使用寿命提高10倍5轿车发动机缸体内壁意大利菲亚特汽车公司取消缸套，提高了寿命6T10钢落料冲模第一汽车制造厂冲模刀刃硬度达到HV1200～1350，首次重磨寿命由0.45～0.5万次提高到1.0～1.4万次7氮化钢工具美国通用汽车公司寿命提高2.5倍8飞机重载