6第六章表面改性技术1

第六章 外表改性技术,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,零件在服役过程中往往由于外表强度缺乏，或者耐腐蚀性能差，而疲劳破损失效。因此，改善和提高材料的外表性能，就成为提高疲劳强度、延长使用寿命的重要工艺措施。外表形变强化就是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，金属外表喷丸强化工程就是其代表性技术。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,金属外表形变强化方法及其应用,常用的金属材料外表形变强化方法主要有喷丸、滚压和内孔挤压等强化工艺。,外表滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过该方法获得表层形变强化，并引进剩余压应力。,内孔挤压是使孔的内外表获得形变强化的工艺措施，效果显著。,外表滚压,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种外表强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件外表，使之产生形变硬化层并引进剩余压应力。已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化原理：,1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：,一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；,二是形成了高的宏观剩余压应力。,2）外表粗糙度略有增大，但却使切削加工的锋利刀痕圆滑。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,外表强化层的组织变化：,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,外表强化层的组织：,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,强化后剩余应力的分布规律,外表为剩余压应力，心部为剩余拉应力，最外表层由于应力松驰，其剩余应力稍有降低，故曲线上有“抬头现象。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,疲劳强度随外表剩余压应力的增加而增加,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化用的弹丸，常用的有三种：,1)铸铁弹丸 碳质量分数物为2.75-3.60，硬度约为HRC58-65,退火后硬度为HRC30-57。铸铁弹丸的价格低廉。,2)钢弹丸 当前使用的钢弹丸一般是将含碳量为0.7的弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆加工制成，直径为0.4-1.2mm。硬度HRC45-50为最适宜。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。,3)玻璃弹丸 其应用是在近十几年开展起来的，已在国防工业中获得应用。玻璃弹丸的直径为0.050.40 mm范围,硬度HRC46-50。,此外,还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化,强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是因球形，切忌有棱角，以免损伤零件外表。,一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。有色金属和不锈钢制件则需采用不锈钢丸或玻璃丸。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化设备主要有两类：,（,1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化设备主要有两类：,（2）气动式喷丸机适用于要求喷丸强度较低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,（2）气动式喷丸机,压缩空气式,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,重力式喷丸机,结构比吸入式复杂，适合使用比重、直径较大的金属弹丸。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,直接加压式喷丸机,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,表示喷丸强化质量的三个参数：喷丸强度、覆盖率、外表粗糙度。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,1）影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。,弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。,喷丸形成的剩余压应力可以到达零件材料抗拉强度的60，剩余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为mm左右。,喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度到达饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。,在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,阿尔门试验,弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称,Almen试片。试片分N、A、C三种，其材料和硬度都有规定，长度和宽度也固定，只是厚度不同。其中应用较多的为A试片(厚127mm)，适用于中等喷丸强度。,试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件下进行的喷射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度的量度。弧高度单位用mm表示。例如，30A表示 A试片弧高度为03mm。,图为不同弹丸速度和喷丸时间的弧高度值曲 线。当喷丸时间延长时，弧高度先增大，之后逐渐平 稳，呈饱和趋势。弹丸速度提高(喷丸机叶轮转速提 高)，则弧高度全面增大。生产实际中以弧高度的饱和 值作为喷丸强度。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,2）所谓覆盖率是指强化后外表弹坑占据的面积与总强化外表的比值。喷丸覆盖率的影响因素：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。,在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能到达100；反之，覆盖率会下降。,在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，到达覆盖率要求的时间就越短。,喷丸强化时，应选择大小适宜的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时到达要求值。通常覆盖率要求在100%-200%，有些零件，如曲轴应用可能要求覆盖率高于200%。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,3）外表粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始外表粗糙度。,在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和外表硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，外表粗糙度值越小；,弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，外表粗糙度值就变小；,喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对外表的研磨作用就越大，外表粗糙度值就越小；,零件的原始外表粗糙度也是影响因素之一，原始外表越粗糙，喷丸后外表粗糙度值降低越小；相反，外表越光滑，喷丸后外表变得粗糙。,当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大外表粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。,6.1 金属外表形变强化,第六章 外表改性技术,喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产本钱低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机技术开展，带有信息反应监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。,喷丸强化在汽车上的应用,但凡承受交变载荷的零件都用喷丸强化工艺。如螺旋弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、连杆、凸轮轴、曲轴等。,汽车板簧的工艺路线：扁钢间断-加热压弯成型-淬火中文回火-喷丸-装配,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,外表淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。,外表淬火的加热方法有多种，如感应加热、火焰加热、电接触加热、电解液加热等。其中最常用的是火焰加热和感应加热两种。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,目前应用最广、开展最快的一种外表热处理方法。,“集肤效应,主要适用于大批量生产的轴、齿轮等零件。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,感应加热外表淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在外表产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件外表快速加热，而后急冷的淬火方法。,集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体外表流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,电流频率愈高，电流透入深度就愈小，硬化层深度越厚薄。因此应根据零件所要求的淬火层深度来选择频率，从而选定设备。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,淬火后工件断面组织,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,感应淬火后零件的外表性能,高额感应淬火时，在零件表层中产生较大的压应力，抗疲劳性能增强；,感应淬火时马氏体组织细小，碳化物弥散细小，硬度高。,感应淬火时零件经受剧烈的喷水冷却，使剩余奥氏体量较少，故硬度较高。,氧化、脱碳小，组织性能稳定。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,一、感应加热外表淬火,感应淬火类型：,根据频率不同，分为中频感应淬火，高频感应淬火，此外还有超音频感应淬火、双频感应淬火。表,6-9.,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,根据交变电流的频率上下，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频 5类。,超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层外表淬火。,高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200300千赫,加热层深度为0.52毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的外表淬火。,超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为2030千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布。,中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.510千赫,加热层深度为28毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的外表淬火。,工频感应加热热处理所用的电流频率为5060赫，加热层深度为1015毫米，可用于大型工件的外表淬火。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,600mm冷轧辊工频淬火,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,大型铸钢件工频淬火,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,各种感应加热器,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,二、火焰加热外表淬火,利用氧-乙炔火焰将钢件表层迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却以实现外表淬火的方法。其淬硬层一般为2-6mm。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,二、火焰加热外表淬火,火焰加热外表淬火设备简单，本钱低，但易使钢件外表过热，质量控制比较困难。因此，它主要适用于单件、小批量生产以及大型零件如大型齿轮、轴、轧辊等的外表淬火。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,三、接触电阻加热外表淬火,利用触头(铜或石墨材质)和工件的接触电阻，低电压、大电流，使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件外表，即可将表层加热至淬火温度，并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行，适于大件的局部外表淬火，如机床导轨、气缸套等。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,四、电解液加热外表淬火,以工件作阴极，置于电解液中(常用520碳酸钠水溶液)，以电解槽为阳极，通入200300V直流电。由于电解作用使阴极(工件)外表形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻，温度迅速升高，并将工件外表加热到淬火温度。停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部外表淬火。,6.2 外表热处理,第六章 外表改性技术,五、高密度能量加热外表淬火,