表面強(qiáng)化技術(shù)[專用課件]

1、概述,表面強(qiáng)化技術(shù)：在這里指材料表面不增加外來材料的情況下，靠施加外力或熱處理等手段改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)，從而提高表面強(qiáng)度、硬度、抗疲勞和應(yīng)力腐蝕性能的工藝方法,1,內(nèi)容詳盡,表面形變強(qiáng)化 表面相變強(qiáng)化,2,內(nèi)容詳盡,8.1表面形變強(qiáng)化,原理 噴丸強(qiáng)化 表面滾壓技術(shù) 孔擠壓強(qiáng)化,3,內(nèi)容詳盡,一、原理,1.定義：是指在金屬材料表面施加外力，使表面比較薄的一層發(fā)生塑性變形，晶粒得到細(xì)化，從而提高零件表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的工藝手段,2.機(jī)理： 加工硬化機(jī)理。即隨變形量的增加，金屬強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降,4,內(nèi)容詳盡,2.機(jī)理： 加工硬化機(jī)理。即隨變形量的增加，金屬強(qiáng)度硬度升高，塑性韌

2、性下降。 原因：a、位錯(cuò)密度隨變形量增加而增加，從而變形抗力增加；b、隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，亞晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙；c、隨變形量增加，空位密度增加；d、幾何硬化,5,內(nèi)容詳盡,二、噴丸強(qiáng)化,1.原理：噴丸強(qiáng)化又稱為受控噴丸強(qiáng)化，是在室溫下利用高速噴射的細(xì)小硬質(zhì)彈丸打擊工件表面，使表面層在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈、塑性變形，并呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，從而提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕的能力,6,內(nèi)容詳盡,7,內(nèi)容詳盡,例： 重要的焊接件的焊縫及熱影響區(qū)采用受控噴丸后，拉應(yīng)力可以轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而改善焊縫區(qū)域的疲勞強(qiáng)度。 汽車用鋼板彈簧噴丸后疲勞壽命可延長5倍,8,內(nèi)容詳盡,例如：合金高強(qiáng)鋼18Cr2N

3、i4WA，末噴丸處理前的疲勞壽命為1.38105。次(裁荷+-600MPa)；經(jīng)噴丸強(qiáng)化后的疲勞壽命達(dá)1.04107(噴九后的表面壓應(yīng)力為800MPs)，疲勞壽命提高了74.3倍,例： 綜上所述，噴九強(qiáng)化技術(shù)是一種使用簡便、成本低、應(yīng)用范圍廣的零件表面強(qiáng)化技術(shù)。它的強(qiáng)化效果主要表現(xiàn)在延長承受交變負(fù)荷的零件使用壽命。這個(gè)效果特別明顯，也特別立竿見影，是其它強(qiáng)化方法難以比擬的,9,內(nèi)容詳盡,2.噴丸強(qiáng)化的設(shè)備 （1）葉輪式噴丸機(jī) （2）氣動(dòng)式噴丸機(jī),10,內(nèi)容詳盡,1）葉輪式噴丸機(jī) 特點(diǎn)：葉輪式噴丸機(jī)中彈丸流的位置與速度都不易改變，常用于形狀簡單批量較大的工件,11,內(nèi)容詳盡,2）氣動(dòng)式噴丸機(jī) 特

4、點(diǎn)：依靠調(diào)節(jié)空氣壓力來改變彈丸的速度，適合于表面形狀復(fù)雜的零件和批量較小的生產(chǎn)條件,12,內(nèi)容詳盡,技術(shù)關(guān)鍵： 是根據(jù)零件的材料和形狀特點(diǎn)控制彈丸流的速度和控制零件表面與彈丸流的相對(duì)運(yùn)動(dòng),13,內(nèi)容詳盡,14,內(nèi)容詳盡,15,內(nèi)容詳盡,3.噴丸強(qiáng)化的彈丸 受控噴丸使用的彈丸有鑄鐵丸、鑄鋼丸、不銹鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。選擇彈丸時(shí)，不僅要考慮零件的工藝要求，包括噴丸面預(yù)期的形變層深度、最大殘余壓應(yīng)力值和表面粗糙度，還要考慮噴丸設(shè)備條件和彈丸的消耗等。 一般地，鋼制零件選用鑄鋼或鑄鐵丸，以得到較深的塑性變形層和較大的殘余壓應(yīng)力值，但是要求獲得較低粗糙度表面時(shí)，常采用玻璃丸。不銹鋼、鋁合

5、金、鈦合金一般也采用玻璃丸,16,內(nèi)容詳盡,4.受控噴丸對(duì)材料表面形貌與性能的影響 （1）對(duì)材料表面硬度影響 硬度大幅度提升，硬化層最高可達(dá)1.5mm。 （2）對(duì)材料表面粗糙度影響 （3）對(duì)疲勞壽命與抗應(yīng)力腐蝕能力的影響 可以大幅度提高材料的疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力。例如，對(duì)純鐵、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、20鋼、45鋼和60Si2Mn鋼進(jìn)行噴丸以后，疲勞強(qiáng)度提高14%47% 不等,17,內(nèi)容詳盡,5.受控噴丸技術(shù)的典型應(yīng)用 主要應(yīng)用承載的機(jī)械零件。如飛機(jī)起落架、框架、大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車車軸、葉片等,18,內(nèi)容詳盡,6.噴丸新技術(shù)旋片噴丸技術(shù),20世紀(jì)80年代，我國航空維修單位開始應(yīng)用旋片噴

6、丸技術(shù)，它是噴丸技術(shù)的一個(gè)分支和新發(fā)展。旋片噴丸的噴丸是通過特種牢固劑牢固地固定在旋片上。旋片以高速旋轉(zhuǎn)并反復(fù)撞擊零件表面而達(dá)到噴丸強(qiáng)化的目的。強(qiáng)化效果極佳,19,內(nèi)容詳盡,6.噴丸新技術(shù)塑料噴丸退漆,為對(duì)飛機(jī)等重要大型結(jié)構(gòu)件的表面進(jìn)行表面無損檢測尋找疲勞裂紋和硬性損傷，首要的表面工藝是退漆。傳統(tǒng)的方法是使用化學(xué)劑剝離或用砂輪手工打磨，這兩種方法均存在不足之處。 塑料噴丸退漆是近年來發(fā)展起來的新工藝。其原理為：顆粒狀塑料在壓縮空氣的作用下通過噴管高速噴射到工件表面在塑料丸較鋒利的棱角切割和沖撞擊打雙重作用下使漆層表面發(fā)生割裂和剝離，從而達(dá)到高效退漆的目的,20,內(nèi)容詳盡,6.噴丸新技術(shù)空氣火焰

7、超音速表面噴砂、噴丸,空氣火焰超音速表面噴砂、噴丸：空氣火焰超音速表面預(yù)處理技術(shù)，是利用氣體燃料或液體燃料與高壓電氣或高壓空氣在超音速噴槍燃燒室內(nèi)混合燃燒膨脹產(chǎn)生高溫高速焰流從而帶動(dòng)砂?；蛲枇Ｒ猿羲賴娤蛄慵幚肀砻?。燃燒焰流速度達(dá)1500m/s以上，粒子速度為300600m/s，從而可獲得高效優(yōu)質(zhì)的表面預(yù)處理效果。 超音速表面噴丸的生產(chǎn)效率是普通噴九的24倍、特別適用于大型結(jié)構(gòu)件表面高效噴丸強(qiáng)化,21,內(nèi)容詳盡,三、表面滾壓技術(shù),1.定義：是在一定壓力作用下，滾球或輥軸對(duì)被加工零件表面進(jìn)行滾壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化層的工藝過程,22,內(nèi)容詳盡,23,內(nèi)容詳盡,3.特點(diǎn)：表面改性層

8、最大深度達(dá)5mm以上。 4.應(yīng)用：只適合一些形狀簡單的平板類零件、軸類零件和溝槽類零件等，對(duì)形狀復(fù)雜的零件表面就無法應(yīng)用了,24,內(nèi)容詳盡,四、孔擠壓強(qiáng)化,1.定義：利用特定的工模具（棒、襯套、開合模具等）對(duì)工件的孔壁或周邊進(jìn)行連續(xù)、緩慢、均勻的擠壓，使其形成一定厚度的塑性變形層，達(dá)到提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的一種表面強(qiáng)化工藝。 2.工藝方法：棒擠壓、套擠壓、壓印模擠壓、旋壓擠壓,25,內(nèi)容詳盡,擠壓棒擠壓強(qiáng)化 襯套擠壓強(qiáng)化,壓印模擠壓強(qiáng)化 旋壓擠壓強(qiáng)化,26,內(nèi)容詳盡,3.特點(diǎn)：孔擠壓強(qiáng)化主要針對(duì)內(nèi)孔要求抗疲勞其它方法又無法做到的工件，比如飛機(jī)上的重要零件，壓印模擠壓適用于大型零件及

9、蒙皮等關(guān)鍵承載件的強(qiáng)化 ；旋壓擠壓適用于例如起落架等大型零件的內(nèi)孔強(qiáng)化等。外力是緩慢、均勻地施加于工件表面。直接結(jié)果是使材料表面獲得預(yù)先的壓應(yīng)力，提高其抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能,27,內(nèi)容詳盡,8.2表面相變強(qiáng)化,概述 感應(yīng)加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火 激光加熱表面淬火 激光表面熔凝技術(shù) 激光沖擊淬火技術(shù),28,內(nèi)容詳盡,一、概述,1.定義：就是對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行表面的熱處理，使表面發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，提高強(qiáng)度、硬度、抗疲勞性能、抗高溫氧化性能等。也就是我們常說的表面淬火等工藝方法,2. 目的：使鋼鐵獲得高的表面硬度和壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高其耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 特別適合承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦或沖擊的零件,2

10、9,內(nèi)容詳盡,3、表面淬火用材料 含碳量為0.4-0.5的中碳鋼。 4、表面淬火后組織 表面：M回 心部：回火索氏體（調(diào)質(zhì)處理）或鐵素體+索氏體（正火,30,內(nèi)容詳盡,5、特點(diǎn)： a、加熱速度快（感應(yīng)加熱速度可達(dá)103 /s，激光加熱則可達(dá)到105-109/s ）且加熱溫度要高于整體淬火的溫度； b、冷卻速度快； c、表面硬度高（其硬度比普通淬火高HRC24 ）； d、需預(yù)備熱處理； e、適合中高碳鋼,31,內(nèi)容詳盡,二、感應(yīng)加熱表面淬火,1.原理： 利用感應(yīng)電流集膚效應(yīng)”，“臨近效應(yīng)”和“環(huán)狀效應(yīng),32,內(nèi)容詳盡,基本過程：將工件放在有足夠功率輸出的感應(yīng)線圈中，在高頻交流磁場的作用下，產(chǎn)生很

11、大的感應(yīng)電流，并由于集膚效應(yīng)而集中分布于工件表面，使表面迅速加熱到鋼相變點(diǎn)Ac3或Accm之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表面獲得M,33,內(nèi)容詳盡,34,內(nèi)容詳盡,2.特點(diǎn)： （1）加熱速度范圍寬，可在31000/s。加熱時(shí)間短，一般幾秒至幾十秒就可以完成加熱，因此晶粒更細(xì)，淬火后硬度更高。比一般淬火硬度高出2-4HRC，耐磨性較高。 （2）工藝參數(shù)容易調(diào)節(jié)和控制。因而工效很高，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，特別適合大批量生產(chǎn)。 （3）因?yàn)榧訜崴俣瓤?，表面氧化脫碳少，表面質(zhì)量高，無變形，可作為最終加工工序。 （4）需很大的設(shè)備投入，所以單件小批量生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)成本高。大型的工件淬火，它無法完成。設(shè)備

12、無法移動(dòng)，因此靈活性相對(duì)較差,35,內(nèi)容詳盡,3、工藝流程和技術(shù)要點(diǎn),預(yù)先調(diào)質(zhì)處理,確定加熱溫度與加熱方式,根據(jù)工件要求選擇功率,設(shè)計(jì)感應(yīng) 加熱器,確定冷卻方式與冷卻介質(zhì),制定回火工藝參數(shù),36,內(nèi)容詳盡,1）前期的預(yù)先處理 中高碳鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，心部可以獲得強(qiáng)度和韌性的最佳性能配合，使用中與表面淬硬層形成配合。 （2）表面硬度的選擇 感應(yīng)加熱淬火后領(lǐng)件的硬度應(yīng)根據(jù)零件的使用性能確定：a、用于摩擦部分，如曲軸頸常用HRC5562，凸輪軸常用HRC5664；b、用于壓碎、扭轉(zhuǎn)及剪切部分的零件，硬度應(yīng)高一些，如鍛錘錘頭表面、汽車半軸、鋼板彈簧等常用HRC5064。 HRC2060(2C1.3C2

13、,37,內(nèi)容詳盡,4）加熱溫度的確定 （5）感應(yīng)加熱淬火設(shè)備參數(shù)確定 包括感應(yīng)電源、感應(yīng)圈、噴火裝置。 感應(yīng)電源的輸出頻率主要有高頻(100500KHz)、超音頻(20100KHz)、中頻(0.510KHz)、和工頻(50Hz)。頻率是根據(jù)零件的尺寸和硬化層深度確定的,38,內(nèi)容詳盡,4.感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用 （1）齒輪的表面淬火。齒輪一般用調(diào)質(zhì)鋼制造，如45、40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行表面淬火，然后自回火得表面組織為隱晶回火M，硬度54-58HRC，心部組織為回火S，硬度20-25HRC。 （2）機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火。車床導(dǎo)軌由HT320制造，原始組織為珠光體+細(xì)片狀石墨，導(dǎo)軌表面要求耐磨，因

14、此用高頻加熱表面淬火，獲得馬氏體+細(xì)片狀石墨，硬度提高到4852HRC，淬硬層深度在1.5mm,39,內(nèi)容詳盡,三、火焰加熱表面淬火,1.定義：火焰加熱表面淬火就是用高溫火焰迅速加熱鋼鐵表面，然后噴水冷卻，使表面獲得馬氏體組織的工藝方法。 2.工藝要點(diǎn)：使用的燃料主要是煤氣(CO)或碳?xì)浠衔铮ū热鏑2H2），還有天然氣、液化石油氣等；實(shí)際操作中，通過控制火焰與工件相對(duì)位置及兩者相對(duì)移動(dòng)速度來控制工件的表面溫度、加熱層深度、加熱速度等,40,內(nèi)容詳盡,3.對(duì)材料的要求 火焰加熱淬火前要對(duì)工件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，獲得細(xì)粒狀或細(xì)片狀珠光體或回火索氏體，以得到綜合機(jī)械性能。 注意：由于火焰淬火加熱速

15、度比感應(yīng)加熱慢，工件表面的溫度梯度較為平緩，所以過渡區(qū)較寬。 4.火焰加熱的設(shè)備 火焰加熱表面淬火需要的設(shè)備主要有火焰噴槍、氣體儲(chǔ)罐、噴水裝置等,41,內(nèi)容詳盡,5、火焰加熱表面淬火工藝的特點(diǎn) 與感應(yīng)加熱表面淬火相比，火焰加熱設(shè)備簡單，投入小，移動(dòng)靈活，可以對(duì)大型難以移動(dòng)零部件進(jìn)行加熱。無需電源，相對(duì)節(jié)約能源。 但是，它也有固有的不足之處即：火焰加熱速度低所以生產(chǎn)效率低，淬硬層厚，表面晶粒不夠細(xì)化，氧化脫碳現(xiàn)象比較明顯，淬硬層的均勻性遠(yuǎn)不如感應(yīng)加熱淬火，質(zhì)量控制存在困難。又因它的火焰噴頭結(jié)構(gòu)要比感應(yīng)圈復(fù)雜，尺寸不可能做的過小，形狀不能過于復(fù)雜。因此主要用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件如齒輪、軸、

16、軋輥、導(dǎo)軌等的表面淬火,42,內(nèi)容詳盡,四、激光加熱表面淬火,1.定義：利用聚焦后的激光束照射到工件表面，使其溫度迅速上升到相變點(diǎn)以上然后移開激光，利用工件自身的冷卻達(dá)到淬火目的,43,內(nèi)容詳盡,44,內(nèi)容詳盡,2.特點(diǎn)： （1）加熱和冷卻速度快 加熱速度可以達(dá)到105109/s；相應(yīng)的加熱時(shí)間為10-310-7s；冷卻速度可達(dá)104107/s。掃描速度越快，冷卻速度越快。 （2）硬度高 激光淬火的表面硬度比常規(guī)淬火層高1520。而鑄鐵淬火后耐磨性可以提高35倍。 （3）對(duì)基體熱影響小 因?yàn)榧訜崴俣群芸欤不瘜颖?一般在0.30.5mm)，且硬化層深度可控，所以對(duì)基體基本沒有熱影響，表面幾乎沒

17、有氧化脫碳，可以作為最后加工工序,45,內(nèi)容詳盡,4） 工藝靈活，可以對(duì)工件的局部進(jìn)行加熱淬火，只要是激光能達(dá)到的部位均可以進(jìn)行加熱。 （5）因?yàn)榧訜峥?，可以靠自冷淬火，工藝過程簡單，表面氧化傾向小。 3、激光淬火適合的材料和零件 從目前研究和應(yīng)用的情況來看，激光相變硬化的主要材料是鋼和鑄鐵，一些有色金屬材料如鈦合金、鋁合金、銅合金、鎂合金、鋯合金等也可以通過激光相變達(dá)到硬化目的。 激光淬火最適合需要局部表面硬化的零件，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于汽車缸套、機(jī)床導(dǎo)軌、刀具、模具、農(nóng)機(jī)、軍工產(chǎn)品等,46,內(nèi)容詳盡,47,內(nèi)容詳盡,五、其他激光表面處理技術(shù),激光表面處理是新興的激光技術(shù)與歷史悠久的金屬熱處理相結(jié)合的產(chǎn)物，是在材料表面施加極高的能量，使之發(fā)生物理化學(xué)變化，從而顯著改變材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等。 激光表面處理工藝主要包括相變硬化、熔凝、涂敷、合金化、非晶化和微晶化、沖擊強(qiáng)化等,48,內(nèi)容詳盡,49,內(nèi)容詳盡,T