表面改性技術(shù)

第七章外表改性技術(shù)采用某種工藝手段使材料外表獲得與其基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。第一節(jié)金屬外表形變強化

外表形變強化是提高金屬材料疲勞強度的重要工藝措施之一

一、外表形變強化原理根本原理是通過機械手段〔滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等〕在金屬外表產(chǎn)生壓縮變形，使外表形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm～1.5mm。在形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：一是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯密度增加，晶格畸變度增大；二是形成了高的宏觀剩余壓應(yīng)力。奧赫弗爾特理論奧赫弗爾特認(rèn)為，噴丸的剩余應(yīng)力的產(chǎn)生取決于兩個方面的機制：一方面由于大量彈丸壓人產(chǎn)生的切應(yīng)力造成了外表塑性延伸；另一方面，由于彈丸的沖擊產(chǎn)生的外表法向力引起了赫芝壓應(yīng)力與亞外表應(yīng)力的結(jié)合。在大多數(shù)材料中這兩種機制并存。噴丸產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬外表產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力的大小，不但與強化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料的晶體類型、強度水平以及材料在單調(diào)拉伸時的硬化率有關(guān)。剩余壓應(yīng)力具有高硬化率的面心立方晶體的鎳基或鐵基奧氏體熱強合金，外表產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可達(dá)材料自身屈服點的2－4倍。材料的硬化率越高，產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力越大。一、外表強化方法

有效地提高了金屬外表強度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強度。外表強化方法還可消除切削加工留下的刀痕；外表形變強化手段還可能使外表粗糙度略有增加，但卻使切削加工的鋒利刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的鋒利刀痕的不利影響。這種外表形貌和表層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬外表強度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強度。二、外表形變強化的主要方法及應(yīng)用〔一〕外表形變強化的主要方法1．滾壓目前，滾壓強化用的滾輪、滾壓力大小等尚無標(biāo)準(zhǔn)。對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強化，并能在外表產(chǎn)生約5mm深的剩余壓應(yīng)力，其分布如下圖。2．內(nèi)擠壓

內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)外表獲得形變強化的工藝措施，效果明顯3．噴丸

利用高速彈丸強烈沖擊零部件外表，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)剩余壓應(yīng)力。噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件；可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞?？刮幽p、耐點蝕〔孔蝕〕能力。三、噴丸外表形變強化工藝及應(yīng)用1．噴丸材料〔1〕鑄鐵彈丸：冷硬鑄鐵彈丸是最早使用的金屬彈丸。鑄鐵彈丸易于破碎，損耗較大，要及時別離排除破碎彈丸，否那么會影響零部件的噴丸強化質(zhì)量。目前這種彈丸已很少使用。

〔2〕鑄鋼彈丸：鑄鋼彈丸的品質(zhì)與碳含量有很大關(guān)系?！?〕鋼絲切割彈丸彈簧鋼絲〔或不銹鋼絲〕切制成段制成。鋼彈丸的組織最好為回火馬氏體或貝氏體。使用壽命比鑄鐵彈丸高20倍左右?！?〕玻璃彈丸近十幾年開展起來的新型噴丸材料，已在國防工業(yè)和飛機制造業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。脆性較大?！?〕陶瓷彈丸彈丸硬度很高，但脆性較大。噴丸后表層可獲得較高的剩余應(yīng)力?！?〕聚合塑料彈丸是一種新型的噴丸介質(zhì)，以聚合碳酸酯為原料，顆粒硬而耐磨，無粉塵，不污染環(huán)境，可連續(xù)使用，本錢低，而且即使有棱邊的新丸也不會損傷工件外表。常用于消除酚醛或金屬零件毛刺和耀眼光澤?！?〕液態(tài)噴丸介質(zhì)包括二氧化硅顆粒和氧化鋁顆粒等。噴丸時用水混合二氧化硅顆粒，利用壓縮空氣噴射。注意：強化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否那么會損傷零件外表。一般來說，黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不銹鋼制件那么需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。2．噴丸強化用的設(shè)備

噴丸采用的專用設(shè)備，按驅(qū)動彈丸的方式可分為：機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。噴丸機又有干噴和濕噴之分。于噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善?！?〕機械離心式噴丸機機械離心式噴丸機又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。工作時，彈丸由高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力加速拋出。彈丸離開葉輪的切向速度為45m／s－75m／s。這種噴丸機功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造本錢較高。主要適用于要求噴丸強度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件?！?〕氣動式噴丸機氣動式噴丸機以壓縮空氣驅(qū)動彈丸到達(dá)高速度后撞擊工件的受噴外表。這種噴丸機工作室內(nèi)可以安置多個噴嘴，因其方位調(diào)整方便，能最大限度地適應(yīng)受噴零件的幾何形狀。而且可通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來控制噴丸強度，操作靈活，一臺噴九機可噴多個零件。適用于要求噴丸強度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。它的缺點是功耗大，生產(chǎn)效率低。氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進(jìn)人噴嘴的方式又可分為：吸人式、重力式和直接加壓式三種。吸入式噴丸機結(jié)構(gòu)簡單，多使用密度較小的玻璃彈丸或小尺寸金屬彈丸，適用于工件尺寸較小、數(shù)量較少、彈丸大小經(jīng)常變化的場合，如實驗室等。重力式噴丸機結(jié)構(gòu)比吸人式復(fù)雜，適用于密度和直徑較大的金屬彈丸。3．噴丸強化工藝參數(shù)確實定適宜的噴丸強化工藝參數(shù)要通過：噴丸強度試驗和外表覆蓋率試驗來確定。噴丸強度試驗

弧高度弧高度與時間的關(guān)系在對試片進(jìn)行單面噴丸時，初期的弧高度變化速率快，隨后變化趨緩，當(dāng)外表的彈丸坑占據(jù)整個外表〔即全覆蓋率〕之后，弧高度無明顯變化，這時的弧高度到達(dá)了飽和值。噴丸強度當(dāng)弧高度f到達(dá)飽和值，試片外表到達(dá)全覆蓋率時，以此弧高度f定義為噴丸強度。噴丸強度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或腳碼代表試片種類，數(shù)字表示弧高度值〔單位為mm〕?！?〕外表覆蓋率試驗噴丸強化后外表彈丸坑占有的面積與總面積的比值稱為外表覆蓋率。一般認(rèn)為，噴丸強化零件要求外表覆蓋率到達(dá)外表積的100％即全面覆蓋時，才能有效地改善疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。〔3〕選定噴丸強化工藝參數(shù)金屬材料的疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕性能并不隨噴丸強度的增加而直線提高，而是存在一個最正確噴丸強度，它由試驗確定。4．噴丸外表質(zhì)量及影響因素(1)噴丸表層的塑性變形和組織變化。金屬的塑性變形來源于晶面滑移、孿生、晶界滑動、擴散性蠕變等晶體運動，其中晶面間滑移最重要。晶面間滑移是通過晶體內(nèi)位錯運動而實現(xiàn)的。噴丸表層的組織變化金屬外表經(jīng)噴丸后，外表產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加。而且還會出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。例如，滲碳鋼表層存在大量剩余奧氏體，噴丸時，這些剩余奧氏體可能轉(zhuǎn)變成馬氏體而提高零件的疲勞強度；奧氏體不銹鋼特別是鎳含量偏低的不銹鋼噴丸后，表層中局部奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而形成有利于電化學(xué)反響的雙相組織，使不銹鋼的抗腐蝕能力下降?！?〕彈丸粒度對噴丸外表粗糙度的影響〔3〕彈丸硬度對噴丸外表形貌的影響〔4〕彈丸形狀對噴丸外表形貌的影響球形彈丸高速噴射工件外表后，將留下直徑小于彈丸直徑的半球形凹坑，被噴面的理想外形應(yīng)是大量球坑的包絡(luò)面。這種外表形貌能消除前道工序殘留的痕跡，使外表美觀。同時，凹坑起儲油作用，可以減少摩擦，提高耐磨性?！?〕噴丸表層的剩余應(yīng)力噴丸處理能改善零件表層的應(yīng)力分布。噴丸后的剩余應(yīng)力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變形最重要。工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導(dǎo)致的剩余應(yīng)力與受噴材料的強度、硬度關(guān)系密切。剩余壓應(yīng)力材料強度高，表層最大剩余壓應(yīng)力就相應(yīng)增大。但在相同噴丸條件下，強度和硬度高的材料，壓應(yīng)力層深度較淺；硬度低的材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力層那么較深。滲碳鋼經(jīng)噴丸后的剩余壓應(yīng)力常用的滲碳鋼經(jīng)噴丸后，表層的殘留奧氏體有相當(dāng)大的一局部將轉(zhuǎn)變成馬氏體，因相變時體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而使得表層剩余應(yīng)力場向著更大的壓應(yīng)力方向變化。在相同噴丸壓力下：大直徑彈丸噴丸后的壓應(yīng)力較低，壓應(yīng)力層較深；小直徑彈丸噴丸后外表壓應(yīng)力較高，壓應(yīng)力層較淺，且壓應(yīng)力值隨深度下降很快。對于外表有凹坑、凸臺。劃痕等缺陷或外表脫碳的工件，通常選用較大的彈丸，以獲得較深的壓應(yīng)力層，使外表缺陷造成的應(yīng)力集中減小到最低程度。噴丸硬度的影響表6－6為不同彈丸材料對剩余應(yīng)力的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于陶瓷丸和鑄鐵丸硬度較高，噴丸后剩余應(yīng)力也較高。噴丸速度對表層剩余應(yīng)力有明顯影響試驗說明，當(dāng)彈丸粒度和硬度不變，提高壓縮空氣的壓力和噴射速度，不僅增大了受噴外表壓應(yīng)力，而且有利于增加變形層的深度，〔6〕不同外表處理后的外表剩余應(yīng)力的比較不同外表處理后的外表剩余應(yīng)力及疲勞極限如表6－8所示。外表滾壓強化可獲得最高的剩余應(yīng)力。經(jīng)噴九或滾壓后，疲勞極限也明顯提高。6．噴丸強化的效果檢驗

弧高度試驗不僅是確定噴丸強度的試驗方法，同時又是控制和檢驗噴九質(zhì)量的方法。在生產(chǎn)過程中，將弧高度試片與零件一起進(jìn)行噴丸，然后測量試片的弧高度f.如f值符合生產(chǎn)工藝中規(guī)定的范圍，那么說明零件的噴丸強度合格。這是控制和檢驗噴九強化質(zhì)量的根本方法?；「叨仍嚻o出的噴丸強度，是金屬材料的外表強化層深度和剩余應(yīng)力分布的綜合值。假設(shè)需了解外表強化層的深度、組織結(jié)構(gòu)和剩余應(yīng)力分布情況，還應(yīng)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析和剩余應(yīng)力測定等一系列檢驗。7．噴丸強化的應(yīng)用實例

1〕CrWMn鋼制線切割沖模的噴丸強化

模具在電火花切割后，不經(jīng)噴丸研磨加工、回火直接裝配使用時，常易出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂現(xiàn)象。即使不出現(xiàn)這些現(xiàn)象，使用壽命也不高。其原因是熱處理產(chǎn)生的拉應(yīng)力和線切割所產(chǎn)生的熱拉應(yīng)力疊加在一起，容易到達(dá)材料的強度極限而產(chǎn)生裂紋。采用回火、研磨、噴丸和回火處理，可有效地去除白硬層和改善切割層的硬度與應(yīng)力分布狀態(tài)。用研磨方法也可除去白硬層，但不能改善應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，因此，不能根本解決模具的裂紋和崩刃。對線切割模具的白硬層施以噴丸和〔120～160〕℃/〔6～10〕h的時效處理，那么可成倍地提高模具壽命。

某廠的CrWMn鋼制線切割沖模的刃磨壽命在直接使用時為10700次；160℃/2h回火后，壽命為11180次；研磨除去白硬層后使用時壽命為4860次；研磨除去白硬層再160℃/2h回火時壽命為7450次；磨削去除白硬層后壽命為28743次；噴丸強化后，再進(jìn)行160℃/2h回火處理，模具壽命到達(dá)220000次。2〕噴丸強化改善Cr12鋼制線切割落料模性能

Cr12鋼制洗衣機電動機定、轉(zhuǎn)子落料模，在經(jīng)淬火、回火處理和線切割加工后直接使用時，堂呈折斷失效，平均使用壽命只有3萬余次。改用在電火花加工后增加一道噴丸強化處理工藝后，改善線切割落料模變質(zhì)層的性能，使用壽命可提高10萬沖次。此外，噴丸強化可使模具表層產(chǎn)生冷作硬化，改善表層的應(yīng)力狀態(tài)和外表粗糙度，有效去除電火花加工時形成的外表軟化層，提高模具的疲勞強度、沖擊磨損、應(yīng)力腐蝕等使用性能，可應(yīng)用于冷沖模、冷鐓模、熱鍛模和落料模等模具以提高其疲勞性能。噴丸可使模具的使用壽命得到顯著提高。

第二節(jié)外表淬火熱處理知識熱處理的本質(zhì)：通過改變組織到達(dá)改善金屬的機械性能。熱處理的4個工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度。熱處理的4種工藝：退火、正火、淬火、回火。一、外表淬火技術(shù)的原理和特點1外表淬火原理用特殊的加熱方式將鋼外表快速加熱到Ac3〔亞共析鋼〕或Ac1〔過共析鋼〕以上，隨后快速冷卻，使鋼鐵表層發(fā)生馬氏體相變，生成硬化層。2外表淬火的分類一般按加熱源的名稱分類火焰外表淬火高頻感應(yīng)外表淬火等離子弧外表淬火激光外表淬火電阻外表淬火3適合外表淬火的金屬材料一般用于處理中碳調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵。二、外表淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別加熱速度越快，奧氏體晶粒越細(xì)、硬度越高。提高加熱速度將使Ac3與Acm線上移，可以防止過熱。快速加熱使奧氏體成分不均勻，易形成貧碳的奧氏體，合金元素也難實現(xiàn)成分均勻化〔1〕奧氏體中未溶碳化物和高碳偏聚區(qū)的存在將促進(jìn)過冷奧氏體分解，使奧氏體轉(zhuǎn)變孕育期縮短.〔2〕亞共析鋼中原鐵素體領(lǐng)域形成低碳奧氏體，原珠光體領(lǐng)域形成高碳奧氏體。兩種奧氏體在淬火后分別得到低碳馬氏體及高碳馬氏體?？焖偌訜岽慊鸷蟮幕鼗饻囟纫话銘?yīng)比普通回火溫度略低。三、感應(yīng)加熱淬火技術(shù)一、感應(yīng)加熱淬火根本原理鐵制零件在高頻交變磁場中，鐵的內(nèi)部將產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。電流在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。由于工件阻抗很小，渦流很大。受集膚效應(yīng)的影響，越靠近工件外表電流越大。感應(yīng)電流快速將零件的外表加熱到Ac3或Acm以上，快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏體組織。感應(yīng)加熱頻率越高，淬硬層越淺，但加熱速度越快。感應(yīng)加熱外表淬火工藝流程以齒輪加工為例鍛打毛坯→正火處理(~220HB)→粗加工→調(diào)質(zhì)處理〔~250HB〕→精加工〔滾齒〕→感應(yīng)加熱淬火→回火〔~55HRC〕→磨削齒輪高頻淬火感應(yīng)加熱的優(yōu)缺點熱效率高、加熱時間短；工件外表氧化、脫碳比較輕，變形小；比普通熱處理具有更優(yōu)異的機械性能；設(shè)備易于實現(xiàn)機械化自動生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；零件棱邊易過熱，形狀復(fù)雜的零件難以保證溫度均勻；設(shè)備投資較大。高頻感應(yīng)加熱裝置〔電子管式〕晶體管式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻感應(yīng)加熱例如感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)超高頻感應(yīng)加熱淬火利用27.12MHz超高頻率的極強的趨膚效應(yīng)使0.05mm~0.5mm的零件表層在極短的時間內(nèi)加熱，然后靠自身迅速冷卻，到達(dá)淬火目的。特點：變形量較小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可明顯提高質(zhì)量，降低本錢。2雙頻感應(yīng)加熱淬火對于凹凸不平的工件可采用兩種頻率交替加熱，較高頻率加熱時，凸出部位溫度較高；較低頻率加熱時，低凹部位溫度較高。這樣可到達(dá)均勻硬化的目的。3超音頻感應(yīng)加熱淬火采用20kHz～50kHz的頻率〔超音頻波〕感應(yīng)加熱淬火可解決凹凸不平工件外表淬硬層不均勻的問題。感應(yīng)加熱淬火例如DieHardeningInductionhardeningofformingtool(Volvo)DieHardeningDieHardeningDieHardeningFinalresult.DieHardeningDieHardeningDieHardening四、火焰加熱外表淬火用火焰將工件外表快速加熱到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷卻，以在表層獲得馬氏體組織。1火焰加熱的特點分焰心1、內(nèi)焰2和外焰3三個區(qū)。內(nèi)焰溫度最高。有較大的溫度梯度?！哺鶕?jù)氧與乙炔的比例不同，氧－乙炔焰還可分為氧化焰、復(fù)原焰、中性焰三種〕2火焰加熱淬火用燃料要有較高的發(fā)熱值，來源容易，價格低廉，貯存和使用平安可靠，污染小。3火焰加熱淬火方法要求加熱均勻〔1〕旋轉(zhuǎn)法：火焰噴嘴或工件旋轉(zhuǎn)。適合中小型工件。〔2〕推進(jìn)法：工件和火焰噴嘴做相對移動。適合導(dǎo)軌、大齒輪等工件；〔3〕聯(lián)合法(旋轉(zhuǎn)推進(jìn)法)：使火焰噴嘴及冷卻裝置沿著轉(zhuǎn)動的工件作相對移動。適合長軸類工件。4影響火焰外表淬火硬化層的工藝因素單位時間消耗的燃?xì)庠蕉?，加熱速度越快。火焰停留的時間越長，外表溫度越高?；鹧嫱Ａ魰r間越長淬硬層越厚。淬硬層深度還和鋼的淬透性、工件比外表積大小有關(guān)。5火焰加熱外表淬火的優(yōu)缺點硬化層較厚，硬度梯度較平緩，耐磨性好；投資少，簡單易行，處理費用低；大小零件均可處理，能實現(xiàn)自動化操作；溫度均勻性差，難以控溫，質(zhì)量波動大。因有軟帶的問題，只能進(jìn)行局部淬火。5等離子弧加熱外表淬火技術(shù)直流等離子弧示意圖直流等離子弧功率大、電弧溫度高、弧焰流速快、能量集中。等離子弧溫度弧焰流速多功能等離子弧加熱設(shè)備等離子弧淬火技術(shù)在80年代后開始獲得應(yīng)用，如處理缸套、曲軸等。6激光外表淬火激光淬