第七章-表面改性技术

第七章表面改性技术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。第一节金属表面形变强化表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一•一、表面形变强化原理•基本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0.5mm～1.5mm。在形变硬化层中产生两种变化：•一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；•二是形成了高的宏观残余压应力。奥赫弗尔特理论•奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生取决于两个方面的机制：•一方面由于大量弹丸压人产生的切应力造成了表面塑性延伸；•另一方面，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。•在大多数材料中这两种机制并存。喷丸产生的残余压应力•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。残余压应力•具有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，可达材料自身屈服点的2－4倍。•材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。一、表面强化方法有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。•表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕；•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。二、表面形变强化的主要方法及应用•（一）表面形变强化的主要方法•1．滚压•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深的残余压应力，其分布如图所示。2．内挤压•内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显3．喷丸•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引进残余压应力。•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。三、喷丸表面形变强化工艺及应用•1．喷丸材料•（1）铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸。•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。目前这种弹丸已很少使用。••（2）铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系。（3）钢丝切割弹丸•弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。•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。（4）玻璃弹丸•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获得广泛应用。•脆性较大。（5）陶瓷弹丸•弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层可获得较高的残余应力。（6）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，而且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。（7）液态喷丸介质•包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。•喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。•注意：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。2．喷丸强化用的设备•喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为：•机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。•喷丸机又有干喷和湿喷之分。•于喷式工作条件差，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。（1）机械离心式喷丸机•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。•弹丸离开叶轮的切向速度为45m／s－75m／s。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。（2）气动式喷丸机•气动式喷丸机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来控制喷丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。•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。它的缺点是功耗大，生产效率低。•气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为：•吸人式、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人式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸。3．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。•喷丸强度试验•弧高度弧高度与时间的关系•在对试片进行单面喷丸时，初期的弧高度变化速率快，随后变化趋缓，当表面的弹丸坑占据整个表面（即全覆盖率）之后，弧高度无明显变化，这时的弧高度达到了饱和值。喷丸强度•当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆盖率时，以此弧高度f定义为喷丸强度。•喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为mm）。（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为表面覆盖率。•一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。（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。4．喷丸表面质量及影响因素•(1)喷丸表层的塑性变形和组织变化。•金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的。喷丸表层的组织变化•金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。•喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。•例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能转变成马氏体而提高零件的疲劳强度；•奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐蚀能力下降。（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响•球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形应是大量球坑的包络面。•这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作用，可以减少摩擦，提高耐磨性。（5）喷丸表层的残余应力•喷丸处理能改善零件表层的应力分布。•喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要。•工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。残余压应力•材料强度高，表层最大残余压应力就相应增大。•但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的材料，压应力层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。渗碳钢经喷丸后的残余压应力•常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥氏体有相当大的一部分将转变成马氏体，因相变时体积膨胀而产生压应力，从而使得表层残余应力场向着更大的压应力方向变化。•在相同喷丸压力下：•大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应力层较深；•小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且压应力值随深度下降很快。•对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。喷丸硬度的影响•表6－6为不同弹丸材料对残余应力的影响。可以发现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬度较高，喷丸后残余应力也较高。喷丸速度对表层残余应力有明显影响•试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度，不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度，（6）不同表面处理后的表面残余应力的比较•不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如表6－8所示。表面滚压强化可获得最高的残余应力。经喷九或滚压后，疲劳极限也明显提高。6．喷丸强化的效果检验•弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，同时又是控制和检验喷九质量的方法。•在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如f值符合生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸强度合格。这是控制和检验喷九强化质量的基本方法。•弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料的表面强化层深度和残余应力分布的综合值。•若需了解表面强化层的深度、组织结构和残余应力分布情况，还应进行组织结构分析和残余应力测定等一系列检验。7．喷丸强化的应用实例1）CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工、回火直接装配使用时，常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷丸和回火处理，可有效地去除白硬层和改善切割层的硬度与应力分布状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层施以喷丸和（120～160）℃/（6～10）h的时效处理，则可成倍地提高模具寿命。某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿命在直接使用时为10700次；160℃/2h回火后，寿命为11180次；研磨除去白硬层后使用时寿命为4860次；研磨除去白硬层再160℃/2h回火时寿命为7450次；磨削去除白硬层后寿命为28743次；喷丸强化后，再进行160℃/2h回火处理，模具寿命达到220000次。2）喷丸强化改善Cr12钢制线切割落料模性能•Cr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回火处理和线切割加工后直接使用时，堂呈折断失效，平均使用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强化处理工艺后，改善线切割落料模变质层的性能，使用寿命可提高10万冲次。•此外，喷丸强化可使模具表层产生冷作硬化，改善表层的应力状态和表面粗糙度，有效去除电火花加工时形成的表面软化层，提高模具的疲劳强度、冲击磨损、应力腐蚀等使用性能，可应用于冷冲模、冷镦模、热锻模和落料模等模具以提高其疲劳性能。喷丸可使模具的使用寿命得到显著提高。第二节表面淬火热处理知识•热处理的本质：通过改变组织达到改善金属的机械性能。•热处理的4个工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度。•热处理的4种工艺：退火、正火、淬火、回火。一、表面淬火技术的原理和特点1表面淬火原理•用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层。2表面淬火的分类•一般按加热源的名称分类火焰表面淬火高频感应表面淬火等离子弧表面淬火激光表面淬火电阻表面淬火3适合表面淬火的金属材料•一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。表4—1常用表面淬火常用钢及铸铁牌号类别钢号应用碳素结构钢35,40,45,50小模数、轻载齿轮及轴类零件40Cr,45MnB中等模数、轻载齿轮和高强度传动轴30CrMo,42CrMo,42SiMn模数较大、负载较大的齿轮与轴类合金结构钢5CrMnMo,5CrNiMo负荷大的零件灰口铸铁机床导轨、气缸套铸铁球墨铸铁,合金球墨铸铁曲轴、机床主轴、凸轮轴二、表面淬火与常规淬火的区别•加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。提高加热速度将使Ac3与Acm线上移，可以防止