材料表面强化技术及应用(毕业设计)

韩煦：材料外表强化技术及应用.⑦劳动强度大。3外表强化技术的又应用现状3.1材料的外表强化技术及其在滚动轴承中的应用滚动轴承的主要失效形式，诸如疲劳、磨损和腐蚀等，都发生于外表或外表层。因此，提高轴承零件的外表性能对提高轴承的可靠性和使用寿命，充分发挥轴承材料的潜力有很重要的意义。轴承套圈的工作外表和心部在性能要求方面有较太差剐的，整体热处理往往只能较多地满足外表性能的需要，而不得不牺牲局部心部性能的需求。或者相反，二者往往不能兼顾，材料的潜力得不到充分的发挥。应用材料的外表强化技术不仅可以较好的解决外表和心部在性能要求上的不同，而且可以使外表获得某些特殊的工作性能以满足在特定条件下工作的滚动轴承工作外表性能要求，既可以节约一些贵重的材料叉可以扩大轴承的应用围，这在现代科学技术开展中是非常有意义的。3.1.1外表热处理强化利用固态相变，通过快速加热的方法对零件的外表层进展淬火处理称为外表热处理，俗称外表淬火。包括火焰加热淬火、高(中)频感应加热淬火、激光加热或电子束加热淬火等。这些方法的特点是：局部加热淬火，工件变形小；加热速度快，生产效率高；加热时间短、外表氧化脱碳很轻微。该方法特别是对提高承受一定冲击载荷的大型和特大型轴承零件的耐磨性和疲劳强度效果显著[10]。随着加热设备和近代加热方法的进步，外表热处理已成为开展快，应用广的外表强化方法，如重大型轴承套圈的外表淬火就属这类方法。3.1.2化学热处理强化利用某种化学元素的固态扩散渗入。来改变金属外表层的化学成分。以实现外表强化的方法称为化学热处理强化，也有人称之为扩渗热处理。包括渗硼、渗金属、渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、渗硫及硫氮碳共渗、渗铬、渗铝及铬、铝、硅共渗和石墨化渗层等，种类繁多，特点各异。渗入元素或溶人基体金属形成固溶体，或与其他金属元素结合形成化合物，总之渗入元素既能改变外表层的化学成分，又可以得到不同的相构造，因而种类不同的化学热处理渗层能提高轴承零件外表层多方面的性能，有广阔的应用前景。渗碳轴承钢零件的处理工艺和滚针轴承保持架的外表强化均属于这一类技术。3.1.3外表冶金强化利用工件外表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期的成分或组织的外表强化处理技术称为外表冶金强化。包括外表自熔性台金或复合粉末涂层、外表熔化结晶或非晶态处理和外表合金化等方法。特点是采用高能量密度的快速加热，将金属外表层或涂覆于金属外表的合金化材料熔化，随后靠自激冷却进展凝固以得到特殊构造或特定性能的强化层。这种特殊的构造或者是细化的晶体组织、或者是过饱和相、亚稳相，甚至是非晶态组织，这取决于外表冶金的工艺参数和方法。轴承工业对这方面的研究还很少，仅在微型轴承工作外表做过激光加热强化，效果不错。3.1.4外表薄膜强化应用物理的或化学的方法在金属外表被覆与基体材料性能不同的强化膜层称为外表薄膜强化。它包括历史悠久的电镀、化学镀(镀铬、镀铜、镀银等)以及复合镀、刷镀和转化处理等。也包括近代开展较快的气相沉积薄膜强化方法(CVD、P-CVD、PVD)以及70年代开展起来的离子注入外表强化技术(也称原子冶金技术)[11]。种类繁多的外表薄膜技术其共同的特点是均能在工件外表形成特定性能的薄膜以强化外表的耐磨性，耐蚀性、抗疲劳性和润滑性能等等。因而在各类滚动轴承中，薄膜强化技术，从古老的化学镀到现代的气相沉积和离子注入都已经或正得到应用。3．2外表强化在模具外表中的应用3.2.1不改变外表化学成分的强化技术主要有外表形变和激光处理。常用外表形变强化技术有喷丸、滚压、冷挤压、摩擦强化及爆炸冲击强化等。外表形变强化技术已广泛用于齿轮、弹簧、链条、叶片、火车车轴等机械零件外表。喷丸是利用高速弹丸强烈冲(撞)击工件外表，使表层形成高剩余压应力和表层组织位错密度增加，产生形变硬化层[12]。激光加工热外表淬火是在20世纪70年代出现的大功率激光器开展起来的新技术。利用激光束照射到金属材料外表时，其红外能量被零件表层吸收而迅速形成很高的温度到达相变温度以上，部材料那么保持冷态，并能迅速传热，使表层急剧冷却形成极大冷却速度，从而起自身淬火的目的。淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高15％～20％，淬硬层可达O．1～2．5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用寿命，而且强化后模具外表光滑如初，变形小，根本上不需要再加工就能直接使用，特别适合处理形状复杂、精加工后不易采用其它强化方法的模具。3.2.2改变外表化学成分的强化技术该技术主要有等离子化学处理、离子注入和渗金属处理等。离子注入已在铝、不锈钢、碳钢、轴承钢等材料上应用，使其寿命提高几倍到几十倍，离子注入强化技术越来越受到各国科技工作者的重视，在工艺设备、技术应用等方面都取得了很快很好的开展。外表覆膜强化主要有气相沉积工艺、电火花外表强化工艺和多层硬质合金复合膜等技术。3Cr2w8V钢模具处理后寿命提高3～4倍。Crl2MoV精冲模经PVD处理获得3～5um涂层，其寿命从l.3万次提高到10万次以上。Crl2w18M04V等钢制的20多种冷模具上用CVD法沉积一层TiC，寿命可提高2～7倍，沉积TiN层的模具寿命那么可提高l～20倍。电火花外表强化技术已在模具上获得应用，如冲压硅钢片O.35～4mm厚的落料模经电火花强化后，使用寿命延长2～3倍定子双槽冲模由5万次／刃磨提高到20万次／刃磨。有色金属研究院采用超音速喷涂硬质合金工艺，使Crl2不锈钢拉伸模修模频率从原来的500件／次提高到7000件／次，寿命提高了3～8倍，获得了十分可观的经济效益。3.3外表强化技术在工程车辆发动机维修中的应用许多工程车辆常年工作于恶劣的工作条件下，作业负荷大，造成机械故障多、磨损量大、使用周期短，严重影响工程进度。因而，针对工程车辆的诊断和维修特点，对它的维修技术提出了更高的要求。我国大局部进口工程车辆多在高速、重载、污染严重、施工条件恶劣的工况下作业，发动机汽缸外表的腐蚀和磨损严重，且对零件外表修复和外表处理要求很高。对于进口车辆发动机，需要根据具体工作环境，采用适宜的材料外表强化技术，制定合理的修复方案。在近20年来材料外表强化技术得到迅速开展，主要是因为采用这种技术本钱较低，而且对控制和减少磨损行之有效[1]。材料外表强化技术是通过各种外表涂层技术与外表改性技术提高维修质量的工程方法。它利用各种物理、化学或电化学、机械或电子的工艺过程，使零件外表获得特殊的成分、组织构造和外表性能，以满足零件外表的技术要求。针对各种零件外表的失效形式特征和机理，综合或复合应用各种材料外表强化技术进展维修与防护，广泛应用于制造行业和维修行业机械设备的防腐、耐磨、装饰或赋予零件外表特殊性能[13]。材料外表强化技术种类较多，主要包括外表组织改变强化、外表成分改变强化和外表沉积强化。下面对这几种主要强化方式进展综合介绍及比拟。3.3.1外表组织改变强化对于外表组织改变强化的零件，所有因处理而引起的变化均在基体，属于显微组织的变化。外表形变强化和外表热处理强化是外表组织改变强化的两种形式。外表形变强化一般是利用机械方法使金属外表层发生塑性变形，从而形成高硬度、高强度的硬化层的强化方式。例如，喷丸处理生成的硬化层中的位错密度可达1012／cm3，亚晶可碎化至0.02p·m。外表层的密度越高、亚晶越细，那么其强度、硬度越高。外表热处理强化是利用固态相变，通过快速加热的方法，对工件外表进展淬火，所以也称外表淬火，如火焰、激光、等离子淬火等，利用外表激光强化方法强化发动机关键零件的研究及应用已经较为广泛。3.3.2外表成分改变强化强化措施在于使外表或表层成分发生变化，或者再进展适当的热处理，使外表或表层的机械性能得到改善。在强化过程中，主要利用与基体金属元素不同的其它元素，通过固态扩散渗入的方法，以改变金属外表层的化学成分，使零件外表产生不同于基体构造的化合物和固溶体，以提高金属外表层的性能。如渗氮可提高零件的耐磨性和抗疲劳强度，渗硼主要增加耐磨性，还具有良好的抗蚀性。3.3.3外表沉积强化外表沉积强化是在零件外表参加或沉积与基体成分不同的材料，以获得强度高、耐磨性与抗蚀性好的外表层。这种强化技术主要包括外表冶金强化和外表薄膜强化。外表冶金强化是利用外表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期成分或组织的材料外表强化技术。一般均采用高能量密度的快速加热，将金属外表熔化或将涂覆在金属外表的合金材料熔化，随后靠自激冷却进展凝固而得到硬化层。经过这种快速熔化一凝固的外表处理过程，使金属外表能够产生特殊构造层，构造形态可能是细化的晶体组织、过饱和相、亚稳相以及非晶态组织等。外表薄膜强化是通过物理或化学方法，在金属外表覆上与基体材料不同的膜层，形成耐磨膜或抗蚀膜等。它与金属冶金强化的区别在于，后者的外表层与沉积或被覆层无明显界限，而外表薄膜强化一般是靠金属材料间的物理作用而结合的，因此薄膜强化的关键性问题之一就是结合力的大小。电镀和化学镀是外表薄膜强化中提高基体耐磨性和抗蚀性的有效方法，Ni-P化学镀层在工程车辆零配件修复上得到广泛应用，其耐磨性和抗蚀性表现明显[13]。美国有关研究人员在小齿轮轴上镀13～18pm的Ni-P镀层，处理2h后，硬度可达HRC62，使差动机构平滑运动而降低噪声。为了提高零件的耐磨性，可以从多种外表处理工艺中选用一种对零件外表进展强化，也可以选用一种以上进展复合处理，但必须遵循的原那么就是性能高、本钱低，即选用性能价格比高的强化工艺。3.4外表技术在飞机构造修理中的应用飞机发动机架和作动筒等许多零部件的材料为30CrMnSiA，即飞机钢。在飞机的使用过程中，其外表会出现划伤、磨损、腐蚀、压坑等现象，必须及时予以修复。为此，有人研究了电刷镀修复飞机30CrMnSiA钢件的工艺规，解决了30CrMnSiA钢制电镀修复易产生氢脆的难题。飞机上有许多同样或类似的材料组成的零件，采用电刷镀技术修复，不仅工艺简单、方便迅速、本钱低，而且质量完全能满足要求[14]。综合利用摩擦电喷镀技术和n-A12O3／Ni-W纳米复合刷镀技术也可以有效修复30CrMnSiA飞机钢。采用这种修理方法，外表修复层完全满足修复要求，提高了飞机作动筒等部件修复面的耐磨性能和镀层结合强度，而且耐蚀性能良好，同时也解决了氢脆问题。n-A12O3／Ni-Cr镀层也被用来修复飞机钢外表，有研究人员通过分析飞机起落架作动筒壁磨损失效的原因，采用n-A12O3／Ni-Cr复合刷镀技术，对磨损部位进展修复，提高了镀层与基体、镀层与工作层间的结合力。修复层的硬度及耐磨性与原件相当，该修复方法简单、可靠，节省了资源本钱。飞机襟翼作动筒用于控制飞机的升降动作，是重要的控制部件，而作动筒的活塞那么是其中的关键部件，由18Cr2Ni4WA高强度钢制成，外表采用法兰处理。工作过程中，活塞在高压下作往复运动，活塞端部会被磨损或划伤，如果超过规定的配合间隙0.025～0.185mm时，会导致漏油，影响作动筒性能，威胁飞行平安。为解决飞机襟翼作动筒磨损失效活塞的修复问题，可以采用电刷镀镍-钨镀层进展修复。研究人员通过对飞机襟翼作动筒活塞失效原因的分析，提出了修复该零件的新工艺，采用电刷镀特殊Ni-W镀层体系，提高了镀层与基体、镀层与工作层的结合力。当镀层厚度为28μm时，镀层硬度到达705HV；网格剥离试验说明，镀层无脱落，附着力良好；弯曲试验说明，镀层无脱落；杯突高度为5.1mm；镀层磨损量为0.118mg／次，与基体(0.119mg／次)耐磨损性相当。采用这种工艺，可以获得满足修复磨损活塞要求的镀层。随着飞机维修领域对维修质量与维修本钱的需求的提高，以及外表技术的飞速开展，外表技术在飞机维修中应用比重的将不断扩大。本文仅对当前几种常用外表技术在飞机构造中的应用进展了论述，还有很多新兴的外表技术正在研究和推广中。可以预见，外表技术的迅速开展，新兴的外表技术的涌现，将有力推动飞机构造修理技术和水平的开展，并为航空领域带来巨大的经济效益。3.5外表强化技术在机械零件中的应用针对机械零件的失效大多从外表开场，提出外表强化技术能赋予零件外表不同于基体材料的化学成分和组织构造。使之既能保持基体原有的性能，又能使零件获得所需的某些特殊性能，如耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐氧化、抗疲劳，防辐射等。从而可以充分发挥材料的潜力，扩大其应用领域，延长零件的使用寿命。机械零件在工作中的失效，大多是由于材料外表不能胜任苛刻的服役条件所致，其失效的原因大致可归结为强度失效、磨损失效和腐蚀失效3个方面。它们大多发生在零件的外表和近外表，或者先从外表开场，然后向部扩散而导致零件失效，以至最终影响机械产品的性能、寿命[15]。因此，提高材料的外表性能对延长机械零件的使用寿命和发挥材料的潜力起着很重要的作用。由此应运而生的外表强化技术作为一门独立学科得到快速开展，并且成为工业兴旺国家今后机械工业开展的新重点。(1)零件材料外表强化的意义：=1\*GB3①充分发挥材料的潜力实践说明，采用传统的外表强化技术，如外表淬火、化学热处理等工艺，就可以使工件材料具有能承受较大冲击载荷的强韧性，同时外表具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，使零件的使用寿命显著提高。而近代新开展起来的气相沉积技术、离子注入技术等外表强化技术，更能显著提高零件材料的耐腐蚀性、耐磨性、疲劳强度、抗氧化性等综合的机械性能。如燃油喷嘴，经注入Ti+或B+后，在极恶劣的条件下工作8000h后，喷嘴仅扩大30～50um，而一般喷嘴工作3h后孔径扩大100um；经化学气相沉积α-Al2O3的硬质合金刀头，高速切削时温度可达1000～1500℃，其使用寿命比沉积TiC提高3倍，比未沉积提高5倍。=2\*GB3②节约材料资源用一般材料经外表强化技术处理后，代替局部昂贵的稀缺材料，可以使材料资源得到有效的节约。如：用40Cr渗硼代替Crl2MoV制作柱塞冷镦模，寿命可以提高3倍；钢件渗铝后，既可提高抗氧化性和抗腐蚀性，又可保持芯部很好的韧性，在石油、化工、建筑、机械、汽车制造等领域得到广泛的应用；渗钒、渗铌处理的钢制模具，比常规淬火工艺处理模具的使用寿命高出几倍至几十倍，与硬质合金使用寿命相当。=3\*GB3③制备具有特殊性能的外表层随着工业和科学技术的开展，对零件材料不断提出新的要求，其中某些特殊要求只能靠外表强化技术才能到达。例如：利用激光加热可实现外表合金化或得到非晶态组织，可显著提高工件的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性；原子能工业中，快中子增殖堆的燃料包套和核聚变堆的第1层壁材料是采用钒和钒合金(V-20Nb-10Mo)制作，但当冷却介质液体氮中含有微量氧时，将引起腐蚀，而采用镍作中间层，用化学气相沉积的钼，那么可以显著提高耐腐蚀能力。3.6电火花外表强化技术的应用电火花外表强化技术是外表强化技术的重要组成局部，与其他外表技术相比，电火花外表强化技术具有设备简单、操作容易、本钱低、无热影响区、无热变形等优点，可用于模具、刀具及机械零件的外表强化和磨损部位的修补，具有很大的应用空间。电火花强化技术作为节能、节材、环保的外表工程技术，具有极大的开展和应用空间，它不但可以进展工件的外表改性、缺陷修复等加工，还可实现异种材料焊接，除了工业上的应用外，其在医疗、航天、军工等方面都有很大的开展前途。但是目前电火花外表强化技术仍存在一些缺乏．主要是工作效率低、外表粗糙度难以控制，还需要科研工作者对其进展进一步的研究与开发。探讨电火花强化机理、开发新的电极材料、研制大功率的新型设备仍是电火花外表强化技术的主要研究方向。3.6.1在航空航天和核工业中的应用航空航天设备中的零部件材料外表出现破损要求修复和强化的电极材料综合性能很高。例如，钛具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性能强等优点，成为航空航天广泛应用的材料[16]。由于钛合金对碳和氧的亲和力大，对磨损部位进展外表渗碳，可取得良好的效果，因此正被广泛应用于这一领域。俄罗斯航空部门采用这一技术在战斗机透平叶片外表强化C、Ni基材料，以提高部件使用寿命。2003年，国某航空发动机公司与中国农机院外表工程技术研究所合作。3.6.2在电力和军事领域的应用电火花外表强化技术在大型电力设备外表缺陷修复中发挥了积极作用。例如，东宝公司柴油机发电机组原是大型舰船用的法国皮尔斯蒂克12PC4型柴油机，经长期运行后发生连杆颈的局部偏磨、龟裂和线型裂纹与沟痕等损伤。该轴重17t，拆卸、安装、搬运都相当费时费钱。应用电火花机现场在线修复后，运行良好，修复区冶金结合，不起皮脱落，轴无任何变形，免除了拆卸、安装，修复工期短，为厂方取得了巨大的经济效益。3.6.3在装备零部件修复中的应用电火花强化技术在装备的零部件的修复中发挥越来越重要的应用潜力。例如，某型六缸空气压缩机，因曲轴的轴肩磨损，导致该机无法使用。如果更换新轴肩，生产周期长，本钱高(1000元以上)，采用D9110型强化机，选取YC,8电极，对其进展电火花外表强化与修复，只花费十多元钱，30min就修复完毕，节约了本钱，节省了时间。某厂在生产与柴油机配套的F29B型发动机和ST0517型起动机时，每年因为加工误差使电机转子轴超差报废近5000个，利用电火花对轴肩修复后，产品尺寸合格，两周挽回4000元的损失。2002年4月，铜业科技开展股份的辊轮进展了电火花外表沉积处理，在其外表沉积一层WC瓷电极材料，外表层硬度到达HVl400，寿命提高了4倍。磨损是导致轧辊失效的主要形式，在轧辊外表采用电火花打毛，可以增大摩擦系数，改善咬入条件，防止相对滑动，提高生产率。采用电火花强化工艺选用适宜的电极对其外表强化后，耐磨性能显著提高，可以延长使用寿命，同时可消除轧制金属打滑，降低轧辊与金属板材间的粘连磨损。针对挖掘机销轴较易发生粘着磨损和疲劳磨损这一情况，选用高强度合金构造钢42CrMo作为销轴材料，经调质、外表高频淬火后，进展电火花外表强化，使外表形成深0．01～0．03ram的白色钨钴类硬质合金强化层，其硬度高达HRC74以上，可提高销轴使用寿命1～2倍。3.6.4电火花强化技术的开展趋势目前电火花外表强化技术尚待解决的主要问题有：强化层较薄；强化层厚度与外表粗糙度不易协调；生产效率较低；强化工艺的稳定性、可靠性还有待提高等。这些问题限制了该技术在材料强化与零部件修复方面的应用围。为了更好的开展和应用该技术，需要在三个方面深入研究：〔1〕深入研究放电、沉积机理，了解强化层形成规律和特性，提高强化层厚度和质量；〔2〕进一步研究不同材料工艺参数对强化层质量的影响，通过控制、选择参数和利用多种电极沉积获得最正确沉积效果；〔3〕研制大功率新型强化设备。实现设备的自动化，提高沉积效率、强化质量和工作可靠性。电火花外表强化技术是具有特殊强化效果和独特技术价值的一种工艺，未来开展潜力巨大。随着科学技术的不断开展和人们对强化技术的认识，电火花外表强化技术将会得到更进一步的开展，在材料外表强化和零部件修复中发挥重要作用，具有广阔的开展前景和应用价值。结论材料外表处理技术简称材料外表技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能〔或虽有改变而不影响其使用〕的条件下，通过某些物理手段〔包括机械手段〕或化学手段来赋予材料外表特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料外表技术在工业中的应用，大幅度提高了产品〔尤其是金属零件〕的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。本文通过对激光处理、电子束强化、电镀以及气相沉积等多种材料外表强化技术的原理及应用的研究，利用多种强化技术结合对材料外表进展改性，使材料外表获得更高的外表性能。研究说明，采用传统的外表强化技术，如外表淬火、化学热处理等工艺，可以使工件材料具有能承受较大冲击载荷的强韧性，同时外表具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，使零件的使用寿命显著提高。近代新开展起来的气相沉积技术、离子注入技术等外表强化技术，更能显著提高零件材料的耐腐蚀性、耐磨性、疲劳强度、抗氧化性等综合的机械性能。对各种材料外表强化技术的了解及比拟可以更好的把这些强化方法运用于生产生活中去，对工业生产中材料性能的获得有着重要的意义。致本论文是在导师伟的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思到最后定稿各个环节给予细心指引与教诲,使我得以最终完成毕业论文设计