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抛丸机材料表面强化技术及应用

文章出处:www.sdpaowanji.com人气:3043免费资料大全:2015-04-24

作为古老又新颖的学科,表面强化技术为致力于改善材料表面化学性质、组织机构、应力状态的性质,在人们生活中被广泛应用。通过掺杂、扩散、离子注入、化学沉积、电镀以及电子束等技术改变材料表面性质的研究,使得大家能得到手机直播开奖表面性质优良的金属,使金属得到叫高的抗腐蚀、抗耐磨性,使工业生产设备及产品使用范围更广[1]。这样,大家能得到更好的表面性质金属及非金属,节约了人类资源,保护和改善了大家的生活环境。材料表面强化技术已经成为了现在制造业最伟大的创造。

追溯至春秋晚期,我国已应用铜器热镀锡和鎏金技术,从工业革命开始到最近50年,材料表面强化技术得到飞速发展。本文汲取现代先进技术的优点,对表面技术的应用进行总结,取其精华,去其糟粕,进行综合陈述及比较。虽然创新很少,但对现有技术的归纳比较在一定程度上更好的促进了表面技术的发展和研究。本论文重点研究现有的表面强化技术以及这些技术的应用,意在归纳总结,学习传承。使得大家能更好的学习和了解这些先进的表面技术,为大家以后的研发和应用做好铺垫。

表面强化技术是表面工程的一个分支,是工程科学技术中一个涉及学科广泛、活力很强、成果突出并与生产实践紧密结合的领域,它渗透到航空航天、信息技术、新材料技术以及先进制造技术等前沿技术的各个方面。从高科技产品到人们日常生活都离不开材料表面强化技术。离子束、激光束、电子束、微波及超高真空技术的开发,引起了表面工程技术研究和应用的热潮,并成为了世界最关键的技术之[2]。本文对材料表面强化技术及应用的研究进行了探讨。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 表面强化技术概述

1.1表面强化技术概述

    表面工程是一个既古老又新颖的学科,人们使用表面工程技术已有悠久的历史。追溯到几千年前,我国早在春秋战国时期就已经开始应用钢的淬火、铜器热镀锡、鎏金及油漆等古老技术[3]。但是,表面工程的迅速发展还是从19世纪工业革命开始,20世纪80年代成为世界上10大关键技术,进入20世纪90年代发展势头出现工程研究的热潮,几乎涉及了工业的各个领域,表面工程技术仍是将是主导21世纪的关键技术之一。

    表面工程是经表面欲处理后,通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等,以获得所需要表面性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的,有着坚实的科学基础,具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。

1.2 表面技术的概念及意义

表面工程指利用各种物理的、化学的或机械的工艺规程使零件表面获得特殊的材料成分、组织结构和性能,以提高产品质量的工程。它概括了“表面处理”、“表面加工”、“表面涂层”、“表面改性”等内容。表面强化技术是表面工程的核心内容,是决定硬化层的成分、组织结构和性能的关键技术[4]。表面强化技术主要通过各种工艺来增强材料的表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和物理性能等综合机械性能。应用各种表面强化技术可以充分发挥材料的潜力、节约能源川;制备特殊的表面强化层;提高经济效益。20世纪60~70年代由于电子束、离子束和激光束进入工业领域,进入表面处理领域,各国开始进行开发性研究,使表面处理技术有突破性进展。到90年代形成了新的系统的表面工程技术,出现了表面工程学,极大地推动了各行各业科学技术的进步,各行业的进步又加速了表面工程技术本身的发展。

 

分段 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 表面形变强化工艺分类

主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形,从而形成高强度硬化层,常见的强化工艺有喷丸、滚压和冷挤压强化。表面形变强化方法简单,但对耐磨性影响比较小,因此得到广泛应用。

2.1表面机械强化

表面机械强化主要分为滚压强化、喷丸强化、抛丸强化和内挤压强化。其中主要以滚压和喷丸强化为主。下面就这几种主要机械强化工艺的原理及应用进行简单先容。

2.1.1喷丸强化

喷丸强化是广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法, 它可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损和耐蚀点( 孔蚀) 能力, 具有操作简单、耗能少、效率高及适应面广等优点, 是金属材料表面改性的有效方法。喷丸强化是利用大量高速运动的珠丸打击零件表面,使表面产生冷硬层和残余压应力[5]。喷丸强化效果与喷丸参数(丸子的速度和在零件上散布密度等)、零件材质和表面状态有关。对于材料强度高、零件表面应力集中、表面粗糙或有表面缺陷的零件,喷丸强化有显著的效果。

(1)喷丸强化工艺的工作原理

喷丸强化是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺。 其工作原理是: 利用球形弹丸高速撞击金属工件表面, 使之产生屈服, 形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是为了预防工件疲劳破坏, 把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力, 从而有效地控制裂纹的扩展。

(2)喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出了激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速了发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929 年, 在美国由Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用在弹簧的表面强化,取得了良好的效果。20世纪40年代,人们发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层, 可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了60年代,此工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。70年代后期,该工艺已被广泛应用于汽车工业,并获得了较大的经济技术效益,如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺,大幅度提高了抗疲劳强度。进入80年代以后,喷丸处理技术在大多数工业部门,如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发、塑料模具、工程机械、农业部门等方面推广应用,到了90年代,其应用范围进一步扩大,如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生。最近几年,随着工业技术的迅猛发展和需求,人们对这种操作简单、效果显著的表面处理技术给予了极大的关注, 开发了多种新工艺。

(3)喷丸强化的发展趋势

伴随着现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力以及减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战[6]。作为表面工程技术分支的喷丸强化技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。其主要研究方向是: 理论研究,即研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零部件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面( 变形层厚度、粗糙度等) 的影响,喷丸参数( 弹丸材质、硬度、直径等) 对喷丸强度的影响,喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等;研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响;着力解决传统喷丸强化工艺由于表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.1.2滚压强化

滚压强化工艺是一种无切削加工的工艺,表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度, 并且降低缺口敏感性。

(1)滚压强化原理

利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力,使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面的粗糙度和硬度,这种方法就叫滚压,又称无屑加工。表面滚压特别适用于形状简单的大零件,尤其是尺寸突然变化的结构的应力集中处,如火车轴的轴径等。表面滚压处理后,其疲劳寿命都有了显著提高。滚轮滚压加工可以加工圆柱形或锥形的外表面和内表面以及曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽和台阶轴的过渡圆角。滚压用的滚轮数目有1 、2 、3。若刚度工件较小,则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压,以免工件发生弯曲变形。

(2)滚压强化的发展状况

滚压强化技术是在1929年由德国人提出的,1933年在美国铁路上开始应用滚压方法,1938年前苏联将此技术应用于机车车轴轴颈。1950年美国在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术,提高干涉配合铆接、干涉配合螺接;1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用于飞机制造及维修中。目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ 型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具和滚珠式滚压工具。 通过滚压可以提高表面粗糙度2~4 级, 耐磨性比磨削后提高1.5~3 倍, 可以修正提高形状误差和表面粗糙度, 而且滚压过程操作方便、效率高、干净无污染。 其具有应用范围广泛,滚压后的零件使用寿命长等特点,适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面上。这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工,滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等,并取得了显著成果, 很好的提高了经济效益,如天津大学内燃机研究所的唐琦等人通过对370Q 型汽油机、376Q 型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验研究表明, 与未滚压曲轴相比较, 经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3% ,安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度;还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套,由原来的直槽改制成沉割槽,其破断力在原来基础上提高了35% 以上,技术指标得到显著增加,获得明显效果。通过大量试验研究和实践表明, 影响到滚压质量的因素主要有以下几种:工件材料的性质,硬度、塑性、金相组织,硬度越低,塑性越高,则滚压效果越好;预加工的表面状况,表面粗糙度、显微组织、几何形状精度;滚压工具的结构,特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量;滚压用量,滚压深度、进给量、滚压速度和滚压次数。

(3)滚压强化的发展趋势

为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度,应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数,目前没有这方面有引导意义的详细的试验数据或公式。目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件,所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性, 提高其使用范围[7]。一般传统的滚压技术很难实现大变形,即使施加了比正常情况下高出几倍的压力,达3000N 甚至更高,也不能消除车削留下来的刀痕。目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低,一般只能提高强度30%~50% ,当需要大幅度提高强度时,还需有更好滚压强化工艺。

2.1.3内挤压强化

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施,效果明显。由于其高的强化效果以及简单的操作方法,使其被广泛应用于工业生产中。下面对孔挤压强化的原理及其发展状况进行分析讨论。

(1)内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊工具,对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压,形成塑性变形的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化,引起形变强化,并产生残余压应力,降低了孔壁粗糙度,提高了材料疲劳强度和应力腐蚀能力。

(2)内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单,被广泛使用于高强度钢,合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。被挤压孔的形状主要是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔、埋头窝孔和开口孔。目前主要应用于以下几种类型:挤压棒挤压强化,孔壁上涂干膜润滑剂,施加力的方式为拉挤或推挤,适用于大型零部件装配和维修;衬套挤压强化,孔内装有衬套,挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔,适用于各类零部件的装配和修理;压印模挤压强化,在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽,适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印;旋转挤压强化,使用有一定过盈量,经向镶有圆柱体的挤压头,旋转通过被挤压的孔,适用于起落架大直径管件和孔。由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺,使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用,并也取得了良好的效果。由于内挤压特殊的工艺性,要求一定要均匀、缓慢、连续地挤压孔,不允许有冲击和暂停的现象。

2.2 表面热处理强化

2.2.1 渗碳 

    为增加钢件表面的碳含量和形成一定的碳浓度梯度,将钢件在渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳是将钢件加热到奥氏体状态,进行碳渗入及扩散,随后淬火并低温回火。其目的是改善表层及心部组织,提高表面硬度和耐磨性,增加抗疲劳强度[1]。几种常见的渗碳方法、特点及应用范围见下表:

 

表2.1 常见渗碳方法的特点及应用范围

Tab.2.1 Characteristics and application areas of common carburizing method 

渗碳方法

特点

应用范围

气体渗碳

生产率高、操作方便、容易实现自动化连续生产,渗层质量好,但废气有污染

大批量生产,应用最广

液体渗碳

加热速度快、生产周期短,操作简单、

小件、细长件、薄件渗碳,批量生产,应用很少

固体渗碳

渗碳周期长,劳动条件差,渗层碳含量不易控制,但不需要专用设备

单件、小件、小批量生产,应用较少

离子渗碳

渗速快、质量好,节电与节气、无污染,但专用设备成本高

重载和精密件深层渗碳,批量生产,应用正在扩大

真空渗碳

可以高温渗碳、渗速快,表层无氧化,质量好,显著改善劳动条件,但专用设备成本高,容易产生炭黑

精密件,关键件,批量生产,应用正在扩大

流态床渗碳

传热快、渗速比气体法快,气氛容易控制或改变,有利于符合处理,可进行高浓度渗碳

批量生产,开始应用

高频加热气体渗碳

利用高频加热高温渗碳,渗速快。炉外制备渗碳气体通入渗碳。可列入冷加工流水线生产、设备成本较高

只适用于单一品种生产,多品种渗碳质量难控制

 

(1)渗碳的化学反应:钢渗碳一般在900~950℃间进行,渗碳剂的种类多,渗碳的化学反应复杂。对于钢件气体渗碳,无论采用哪种渗碳剂,其主要渗碳气氛的组分为CO和CH4。CO的渗碳能力较弱,而CH4渗碳能力较强,产生活性C原子的反应,可选择下列四个独立反应方程表示,即

2CO=CO2+[C]    CH4=2H2+[C]    CO+H2=H2O+[C]    CO=(1/2O2+[C]

渗碳过程可归纳为三个过程:

炉内渗碳介质化学反应,产生CO,CH4等渗碳组分。

渗碳组分向钢表面扩散被吸附,并与钢件反应,产生活性炭原子渗入钢件表面,反应产物H2、CO2和 H2O 、O2等离开表面。

碳原子像钢件内部扩散,形成碳浓度梯度分布的渗碳层。

渗碳过程中,碳原子被吸附反应的机理,目前有两种说明,一种是先形成Fe3C 薄层,又瞬息分解使碳碳溶入到奥氏体中;另一种说明是碳原子直接溶解于奥氏体中,达到饱和时,才形成Fe3C。后一种说明被多数人接受,因为形成化合物Fe3C是以改变铁的晶格方式进行,需要更大的能量,因此碳原子溶入固溶体应在形成Fe3C之选。但这并不排除钢中如有强碳化物形成元素时,碳与合金元素直接形成碳化物的可能性。

(2)渗碳过程相关的重要参量

碳势Cp。碳势是指表征含碳气氛在一定温度下,改变钢件表面碳含量的能力的参数。通常可用低碳钢箔(厚度<0.1mm)在含碳气氛中的平衡含碳量来表示。

钢中碳活度aC。钢在渗碳过程中奥氏体中碳的饱和蒸汽压(pc)与相同温度下石墨标准态的饱和蒸汽压之比称为钢中碳的活度。它的物理意义是奥氏体中有效浓度。与气氛碳势(Cp)和钢件表面实际碳含量(Cs)之间的差值(Cp-Cs)之比为碳的传递系数(β),它表征渗碳气-固相界面反应速度的常数,也称为碳的传递系数。碳传递系数与渗碳温度,渗碳介质及气氛组分等有关。

碳的扩散系数。表征扩散过程速度的一个重要参量是扩散系数D。它的物理意义是,在单位时间内,单位面积上,单位浓度坡度情况下通过的物理数量(g),它的量纲是:cm/s或cm/d。影响扩散系数最主要的渗碳温度,如不考虑钢中碳与合金元素含量的影响,扩散系数D与温度T(K)的关系可近似表达为D=D0e。渗碳温度为800~1000℃时,碳在奥氏体中扩散系数可用下式近似计算。

2.2.2 碳氮共渗

在一定温度下将碳和氮同时(以碳为主)渗入处于奥氏体状态的钢件表层的化学热处理工艺称为碳氮共渗。碳氮共渗按处理温度不同,可分为低温碳氮共渗(<780℃)、中温碳氮共渗(780~880℃)和高温碳氮共渗(>880℃),一般按钢件和工件服役条件等进行选择。

碳氮共渗与渗碳相比,有以下特点:

(1)氮原子渗入降低了渗层的临界点A1和A3温度,故可在较低的温度下进行碳氮 共渗。工件不易过热,通常共渗后就可直接淬火,工件畸变量减小。

(2)氮使TTT曲线右移,提高了淬透性,允许在较缓和的冷却介质中淬火。

(3)氮降低了马氏体开始转变点Ms,因此渗层中残留奥氏体比较多。

(4)碳氮原子的同时渗入,增加大碳的扩散系数,加快了碳原子的扩散速度。因而碳氮共渗的渗速较快,缩短了工艺周期。

(5)碳氮共渗层的硬度,耐磨性与耐回火性及疲劳强度比渗碳层稍高,但其共渗层较浅,承载能力不及渗碳。

2.2.3  渗金属及渗硼、渗硅

    钢及合金工件加热到适当的温度,使金属元素扩散渗入表层的化学热处理工艺称为渗金属,又称表面合金化。它是使钢的表面层合金化,以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性,如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。 通俗的讲就是使一种或多种金属原子渗入金属工件表层内的化学热处理工艺[8]。将金属工件放在含有渗入金属元素的渗剂中,加热到一定温度,保持适当时间后,渗剂热分解所产生的渗入金属元素的活性原子便被吸附到工件表面,并扩散进入工件表层,从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。

渗金属的方法主要有固体法(如粉末包装法、膏剂涂渗法等)、液体法(如熔盐浸渍法、熔盐电解法、热浸法等)和气体法。金属元素可单独渗入,也可几种共渗,还可与其他工艺(如电镀、喷涂等)配合进行复合渗。生产上应用较多的渗金属工艺有:渗铝、渗铬、渗锌、铬铝共渗、铬铝硅共渗、钴(镍、铁)铬铝钒共渗、镀钽后的铬铝共渗、 镀铂(钴)渗铝、渗层夹嵌陶瓷、铝-稀土共渗等。

    渗硼能提高钢铁、非铁金属与合金的表面硬度、热硬性、耐磨性、耐蚀性,改善抗高温氧化性能,较广泛地应用于工业生产。渗硼的方法有粉末法、粒状法、膏剂法、熔盐法和熔盐电解法。钢件渗硼后在硫酸、盐酸、磷酸、碱等水溶液中的耐蚀性较好,但不耐硝酸,抗高温氧化性能也有所提高,在600℃以下才有使用价值。渗硼比较广泛用于易磨件、工模具、耐磨损腐蚀件等方面,成倍的提高零件使用寿命,而且可用普通钢渗硼代替高合金钢。能提高合金件的耐磨性,有的用于火箭的零件。

渗硅主要用于低碳(C<0.25%)、低硫(S<0.04%)钢。工件埋在碳化硅粉末中,加热到930~980℃时导入氯气,经气相反应后可得125~250微米厚的脆性渗硅层。这种覆层具有耐磨、耐蚀性能,硬度高,还具有良好的抗擦伤性,用于泵轴、缸衬、阀门、传送带链的联结件和洗瓶机的构件。铌、钼、钽、钨等难熔金属可作为航天器的短期有效构件材料,多采用硅化物层来减少它们在1650℃时的氧化。发展更有效的抗热腐蚀的渗层,也在探索中。

2.3电火花强化

    电火花表面强化技术的基本原理是储能电源通过电极以10~2000Hz的频率在电极与零部件之间产生电火花放电,在电极与零部件接触的部位即达到5000~10000℃的高温,使该区域的局部材料熔化、气化或等离子体化,将电极材料高速过渡并扩散到工作表面,形成冶金结合型牢固强化层[9]。研究表明,强化层主要由白亮层、扩散区和热影响区构成,涂层组织较细密,具有较高的硬度及较好的耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性。

    电火花表面强化技术能有效地改善零部件表面的物理、化学和机械性能,包括硬度、导热和导电性能等,与常规的表面强化工艺相比较,具有以下优点:

(1)电火花强化是在空气中进行,不需要特殊、复杂的处理装置和设备。配套装置简单、灵活,投资和运行费用低,强化工艺环保。

(2)热输入量小,放电时间很短,放电端点的面积小,放电的热作用只发生在零部件表面的微小区域内,被强化零部件基体不产生退火或热变形。

(3)不受零部件形状限制,可以对平面或曲面形状零部件强化;对需修复局部、有少量损伤、焊接性差以及淬火状态工件的修复更具优势。

(4)强化层是电极和零部件材料在放电时的瞬间高温高压条件下重新合金化形成的新合金层,结合非常牢固,不容易发生剥落。

(5)强化层厚度、表面粗糙度与脉冲电源的电气参数以及强化时间等有关,控制相对简单。电火花强化处理后可作为最终工序,加工余量少。

(6)电极材料来源广,耗量小,容易实现异种材料强化层,同时可以根据强化目的来选择电极材料。

(7)对零部件能在线强化、修复,避免拆装和运输,更好地适应现代工业的要求。强化部位不会产生锈蚀,并可在损坏的强化层上多次进行强化处理。

2.4 激光表面处理

2.4.1 激光表面处理技术及其原理

激光表面处理是使用激光束进行加热,使工件表面迅速熔化一定深度的薄层,同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面,在激光照射下使其与基体金属充分融合,冷凝后在模具表面获得厚度为10~1000μm具有特殊性能的合金层,冷却速度相当于激冷淬火。该工艺在电场作用下,在母材表面产生瞬间高温、高压区,同时渗入离子态的金属陶瓷材料,形成表面的冶金结合,而母材表面也同时发生瞬间相变,形成马氏体和微细奥氏体组织。这种工艺不同于焊接,也不同于喷镀或者元素渗入,应该是介于两者之间的一种工艺。它很好地利用了金属陶瓷材料的高耐磨、耐高温、耐腐蚀的特性,而且工艺简单,成本较低廉。

激光表面处理技术的原理即激光与材料的相互作用过程可分为几个阶段:

(1)光束辐射至工作表面,材料吸取光子的能量而转换为热能,表层温度升高并向内部传热。材料表层对激光能量的吸取,除了与激光功率密度、辐射时间有关外,还受激光束的模式、波长、材料的反射率和吸取率等因素的影响。

(2)材料表层吸取激光能量时,温度升高到相变点以上并发生固态相变,与此相对应的加工工艺为激光表面淬火。金属材料随着温度升高,对激光的吸取率也会逐渐增大。

(3)材料的温度进一步升高到熔点之上,材料熔化并形成熔池,涉及的主要工艺为激光熔凝、激光熔敷、激光表面合金化等。

(4)材料温度升高至汽化点之上,出现等离子体现象。利用等离子体的反冲效应,可对材料进行冲击硬化处理。

(5)当材料在不同的加热温度下移开激光束而冷却,将出现晶粒细化、相变硬化等多种现象。    

2.4.2 激光表面处理技术的分类及特点

根据材料的不同种类,调节激光功率密度、激光辐射时间等工艺参数,或是增加一定的气氛条件,可进行激光表面淬火、熔敷、表面合金化、非晶化、冲击化等激光表面处理技术。主要的激光处理技术见表2.2.

 

表2.2几种主要激光处理技术特点

Tab.2.2 Several major laser processing technical characteristics

工艺方法

特点

激光表面淬火

相变硬化,提高表面硬度和耐磨性

激光熔凝

在高功率密度激光作用下,材料表面快速熔化并激冷,获得极细晶粒组织,显著提高硬度和耐磨性

激光非精化

激光束能力密度极高,材料冷却速度极快,获得非晶态表面,显著提高耐蚀性和抗氧化性,具有优良的耐磨性

激光冲击硬化

在极短的激光脉冲作用下,材料表面产生巨大的冲击应力,使材料表面亚结构增加,提高材料的强度、硬度和疲劳极限

激光熔敷

激光加热基体和合金,在很小稀释率的条件下,将合金熔焊与基材上,获得与基材冶金结合的特殊合金层

激光表面合金化

利用多种方法,将添加元素与基材表面,在保护气氛下,激光将二者同时加热熔化,获得与基材冶金结合的特殊合金层

 

2.5 电子束表面处理

利用高能电子束轰击材料表面,使其温度升高并发生成分、组织结构变化,从而达到所需要性能的工艺方法,统称为电子束表面处理。电子束表面强化方法与激光相类似,电子束表面改性方法包括下列几种:

电子束淬火:即利用钢铁材料的马氏体相变进行表面改性。

电子束表面合金化:如果提高电子束功率,材料表面会发生熔化,若在熔池中添加合金元素即可以进行电子束合金化。

电子束覆层:基材不熔化形成另一种材料的薄层。

制造非晶态层:使熔化表面层激冷而获得薄的微晶或非晶态层。

 

2.5.1电子束表面淬火

    电子束表面淬火与激光表面淬火一样,都是通过高频率能量束加热工件表面,工件表面升温并发生相变,然后自激冷却实现马氏体的相变。电子束表面淬火加热和冷却速度很快,表面马氏体组织显著细化,硬度较高,同时,表层输入能量对硬化层深度会产生明显影响。材料经电子束表面淬火后,组织细化,硬度升高,表面呈残余压应力,提高了材料的抗疲劳性能和耐磨性。

2.5.2 电子束表面熔凝

借助于高能量密度的电子束使材料表面熔化,并在电子束移开之后快速凝固,致使表层组织得以细化,提高材料表面硬度和韧性。电子束表面熔凝处理,主要达到以下目的:通过重新熔化,使铸态合金中可能存在的氧化物、硫化物等夹杂物溶解,在随后的快冷过程中获得细化的枝晶和细小的夹杂,并能消除原铸态合金中存在的疏松组织,从而提高工件的疲劳强度、耐蚀性和耐磨性。金属材料快速熔凝处理后,表层可以得到明显地强化。

2.5.3 电子束表面合金化

采用电子束加热工件和预涂覆于工件表面的合金材料,使二者熔化并混合,形成一种新的合金化表面层,这种工艺方法叫做电子束表面合金化。电子束表面合金化的预涂覆方法与激光表面合金化相似,但粘结剂应有较好的高温粘接性能,在加热熔化过程中不能出现剥落、飞溅等缺陷。常用的粘接剂有硅酸钠、硅酸胶、聚乙烯醇等。

材料进行电子束表面合金化处理,目的是提高工件表面的耐磨性和耐蚀性,因此,在合金化材料选择上,应有所侧重。一般以耐磨为主要目的时,应选择W、Ti、B、Mo等元素及其碳化物作为合金化材料;以耐蚀为主要目的时,应选择Ni、Cr等元素;Co、Ni、Si等可作为改善合金化工艺性的元素;对于铝合金,则选择Fe、Ni、Cr、B、Si等元素进行电子束表面合金化处理。

2.6  离子注入技术

     离子注入是将原子离子化,在电场中获得高能量,强行注入材料表面层,从而改变其表面成分与性能的方法。

    从20世纪30年代起,人们便开始将离子注入作为一种辐照方法加以研究,到60年代以后,离子注入技术在材料表面改性方面得到迅速发展。首先是在半导体器件制造技术中取得显著成果,利用离子注入技术作为掺杂手段来改变固体表面性质,能够精确控制离子的掺杂浓度;到80年代,离子注入在金属材料表面改性中的应用研究获得突破,有效地改善了工程材料的物理、化学及力学性能;陶瓷材料具有优良的耐热性、耐蚀性、耐磨性,优异的电学、光学、磁学性能,但韧性差,利用离子注入可改善陶瓷材料的表面韧性和疲劳抗力;对高分子聚合材料进行离子注入,能提高材料的抗磨损、抗腐蚀能力。随着离子注入理论研究的进一步深入和强束流、大靶室的离子注入设备问世,离子注入技术已发展成为一门表面优化处理技术,并逐渐在国防、机械、轻工、纺织、医疗器械、航空航天等领域获得广泛应用。

离子注入的应用:在材料表面改性方面,离子注入目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊零件,注入的离子种类繁多,但以氮离子为主[9]。除在机械产品的应用之外,离子注入在微电子工业中也应用广泛,同时,在微波激光和红外集成电路也得到广泛应用。

2.7气相沉积技术

气相沉积技术是一种发展迅速、应用广泛的表面成膜技术,它不仅可以用来制备各种特殊力学性能(如超硬、高耐蚀、耐热和抗氧化等)的薄膜涂层,而且还可以用来制备各种功能薄膜材料和装饰薄膜涂层等。

气相沉积技术可以分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,简称PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)。其中化学气相沉积应用最为广泛,技术发展及研究最为成熟。

2.7.1化学气相沉积

化学气相沉积的古老原始形态可以追朔到古人类在取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层。作为现代CVD技术发展的开始阶段在20世纪50年代,主要着重于刀具涂层的应用。从20世纪60~70年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要,CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。目前CVD技术在电子、机械等工业部门中发挥了巨大作用,特别对一些如氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄膜的沉积。

化学气相沉积是通过化学反应的方式,利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源,在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。简单来说就是:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到基片表面上。CVD和PVD相比,沉积过程要发生化学反应,是一个气象化学生长的过程[1]。从气相中析出的固体的形态主要有下列几种:在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒,在气体中生成粒子。  

(1)化学沉积技术的基本要求

为适应CVD技术的需要,选择原料、产物及反应类型等通常应满足以下几点基本要求:

反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而且易于挥发成蒸汽的液态或固态物质,且有很高的纯度。

通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物,而其他副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离。

反应易于控制。

(2)化学沉积技术的基本原理

CVD是建立在化学反应基础上的,要制备特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反应。用于CVD技术的通常有如下所述五种反应类型。

热分解反应

热分解反应是最简单的沉积反应,利用热分解反应沉积材料一般在简单的单温区炉中进行,其过程通常是首先在真空或惰性气氛下将衬底加热到一定温度,然后导入反应气态源物质使之发生热分解,最后在衬底上沉积出所需的固态材料。热分解发可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。

氧化还原反应沉积

一些元素的氢化物、有机烷基化合物常常是气态的或者是易于挥发的液体或固体,便于使用在CVD技术中。如果同时通入氧气,在反应器中发生氧化反应时就沉积出相应于该元素的氧化物薄膜。许多金属和半导体的卤化物是气体化合物或具有较高的蒸气压,很适合作为化学气相沉积的原料,要得到相应的该元素薄膜就常常需采用氢还原的方法。氢还原法是制取高纯度金属膜的好方法,工艺温度较低,操作简单,因此有很大的实用价值。

化学合成反应沉积

化学合成反应沉积是由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要的无机薄膜或其它材料形式的方法。这种方法是化学气相沉积中使用最普遍的一种方法。与热分解法比,化学合成反应沉积的应用更为广泛。因为可用于热分解沉积的化合物并不很多,而无机材料原则上都可以通过合适的反应合成得到。

化学输运反应沉积

把所需要沉积的物质作为源物质,使之与适当的气体介质发生反应并形成一种气态化合物。这种气态化合物经化学迁移或物理载带而输运到与源区温度不同的沉积区,再发生逆向反应生成源物质而沉积出来。这样的沉积过程称为化学输运反应沉积。其中的气体介质成为输运剂,所形成的气态化合物称为输运形式。这类反应中有一些物质本身在高温下会汽化分解然后在沉积反应器稍冷的地方反应沉积生成薄膜、晶体或粉末等形式的产物。

等离子体增强的反应沉积

在低真空条件下,利用直流电压(DC)、交流电压(AC)、射频(RF)、微波(MW)或电子回旋共振(ECR)等方法实现气体辉光放电在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞,可以大大降低沉积温度,例如硅烷和氨气的反应在通常条件下,约在850℃左右反应并沉积氮化硅,但在等离子体增强反应的条件下,只需在350℃左右就可以生成氮化硅。

(3)化学沉积技术的特点

沉积反应如在气固界面上发生则沉积物将按照原有固态基底(又称衬底)的形状包覆一层薄膜。

涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变,从而获得梯度沉积物或得到混合镀层。

采用某种基底材料,沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离,这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。

在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状物质,或者使沉积反应发生在气相中而不是在基底表面上,这样得到的无机合成物质可以是很细的粉末,甚至是纳米尺度的微粒称为纳米超细粉末。

CVD工艺是在较低压力和温度下进行的,不仅用来增密炭基材料,还可增强材料断裂强度和抗震性能是在较低压力和温度下进行的。

CVD主要缺点是需要在较高温度下进行反应,基片温度高,沉积速率较低(一般每小时只有几微米到几百微米),基体难以进行局部沉积,参加沉积反应的气源和反应后的余气都有一定的毒性等

(4)化学沉积技术的发展

目前,CVD反应沉积温度的更低温化是一个发展方向,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)是一种中温进行的化学气相沉积技术,采用金属有机物作为沉积的反应物,通过金属有机物在较低温度的分解来实现化学气相沉积。近年来发展的等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)也是一种很好的方法,最早用于半导体材料的加工,即利用有机硅在半导体材料的基片上沉积SiO2。PECVD将沉积温度从1000℃降到600℃以下,最低的只有300℃左右,等离子体增强化学气相沉积技术除了用于半导体材料外,在刀具、模具等领域也获得成功的应用。

随着激光的广泛应用,激光在气相沉积上也都得到利用,激光气相沉积(LCVD)通常分为热解LCVD和光解LCVD两类,主要用于激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正以及激光蒸发-沉积。在向真空方向发展方面在向真空方向发展方面,出现了超高真空/化学气相沉(UHV/CVD)法。此外,化学气相沉积制膜技术还有射频加热化学气相沉积(RF/CVD)、紫外光能量辅助化学气相沉积(UV/CVD)等其它新技术不断涌现。

2.7.2物理气相沉积

物理气相沉积是用物理的方法是镀膜材料气化,在基体表面沉积成膜的方法。除传统的真空蒸发和溅射沉积技术外,还包括近30多年来蓬勃发展起来的各种离子束沉积,离子镀和离子束辅助沉积技术。其沉积类型包括:真空蒸镀、溅射镀、离子镀等。

物理气相沉积技术虽然很多,但都必须实现气相沉积三个环节,即镀料气相→气相输运→沉积成膜。物理气相沉积与化学气相沉积相比,主要优点和特点如下:

(1)镀膜材料广泛,容易获得:包括纯金属、合金、化合物,导电或不导电,低熔点或高熔点,液相或固相,块状或粉末,都可以使用或经加工后使用。

(2)镀料汽化方式:可用高温蒸发,也可用低温溅射。

(3)沉积粒子能量可调节,反应活性高。

(4)低温型沉积:沉积粒子的高温量高活性,不需遵循传统的热力学规律的高温过程,就可实现低温反应合成和在低温基体上沉积,扩大沉积基体适用范围。

(5)可沉积各类型薄膜:如金属膜、合金膜、化合物膜等。

(6)无污染,利于环境保护。

    物理气相沉积技术已广泛用于各行各业,许多技术已实现工业生产。其镀膜产品涉及到许多适用领域。

2.8 电镀、化学镀、电刷镀技术

2.8.1  电镀技术

电镀是指利用电解的方法从一定的电解质溶液中,在经过处理的基体金属表面沉积各种所需性能或尺寸的连续、均匀而附着沉积的一种电化学过程的总称。电镀所获得的沉积层叫电沉积层或电镀层。获得电镀层的技术属于表面工程技术中的覆盖层技术,属于原子沉积技术,是覆盖层技术领域较为古老而成熟且应用面较广泛的一种技术。电镀广泛用于各种金属和非金属的装饰防护,以及赋予这些金属和非金属的各种所需要的特殊性能或功能。高级装饰防护和各种功能性电镀或两者兼具的电镀时电镀技术的重要发展趋势。

就理论而言,化学元素周期表内所包含的金属几乎都有可能以各种形式用作电镀材料,或者几乎都可以用作电镀层的机体。现代电镀包括单金属电镀、合金电镀、单层电镀、多层组合电镀、复合电镀或弥散电镀等。这些电镀层可镀于金属基体上,也可通过适当的技术镀与非金属上,而使非金属表面得到金属化,或称非金属表面金属化。

2.8.2  化学镀技术

化学镀是不加外电流而利用导相表面受控自催化还原反应在基体上获得所需性能的连续、均匀附着沉积过程的统称,又称化学沉积、非电解沉积、自催化沉积。其沉积层叫化学沉积层或化学镀层。化学镀技术也属于表面工程技术中的覆盖层技术。

现代化学镀技术有多种,其间的重要区别在于沉积结晶速度,可实际沉积厚度,沉积与基体表面的附着力,沉积性能,沉积结晶结构,镀层厚度均匀性,镀液镀覆特殊基体的能力,化学镀液的技术利用率,镀层质量的重复性,沉积的成本,工艺危害及废物等。化学镀采用与电镀有许多明显不同的镀前表面准备,所以,对化学镀表面准备技术,及相应的处理剂的研究和发展,无疑会推动化学镀技术的发展。

化学镀技术是比电镀技术更年轻的表面覆盖层技术,亦属于原子沉积技术,但是,正是由于化学镀技术的发展才使印刷线路板、计算机软盘和塑料电镀,以及非金属表面金属化成为可能,并推动着这些产品行业的发展。

2.8.3  电刷镀技术

(1)电刷镀技术的基本原理

电刷镀是应用电化学沉积的原理,在导电零件需要制备镀层的表面上,快速沉积金属镀层的表面技术,它是表面工程技术重要的组成部分。电刷镀是直流电源的负极通过电缆线与工件联接;正极通过电缆线与镀具联接。镀具前端的经包裹的与刷镀表层仿形的阳极与工件表面轻轻接触,含有欲镀金属离子的电刷镀专用镀液不断地供送到阳极和工件刷镀表面之间,在电场作用下,镀液中的金属离子定向迁移到工件表面,在工件表面获得电子还原成金属原子,还原的金属原子在工件表面上形成镀层。

(2)电刷镀技术的特点 :

电刷镀层具有良好的力学性能和物理,化学性能。

镀层厚度可控制。

    温升低。

    工艺灵活、适应范围广。

    生产效率高。

    对环境污染小。

    劳动强度大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3表面强化技术的又应用现状

3.1材料的表面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,都发生于表面或表面层。因此,提高轴承零件的表面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。轴承套圈的工作表面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表面性能的需要,而不得不牺牲部分心部性能的需求。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。应用材料的表面强化技术不仅可以较好的解决表面和心部在性能要求上的不同,而且可以使表面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表面性能要求,既可以节约一些贵重的材料叉可以扩大轴承的应用范围,这在现代科学技术发展中是非常有意义的。

3.1.1表面热处理强化

利用固态相变,通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理称为表面热处理,俗称表面淬火。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、表面氧化脱碳很轻微。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,表面热处理已成为发展快,应用广的表面强化方法,如重大型轴承套圈的表面淬火就属这类方法。

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。来改变金属表面层的化学成分。以实现表面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表面层的化学成分,又可以得到不同的相结构,因而种类不同的化学热处理渗层能提高轴承零件表面层多方面的性能,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表面强化均属于这一类技术。

3.1.3表面冶金强化

利用工件表面层金属的重新熔化和凝固,以得到预期的成分或组织的表面强化处理技术称为表面冶金强化。包括表面自熔性台金或复合粉末涂层、表面熔化结晶或非晶态处理和表面合金化等方法。特点是采用高能量密度的快速加热,将金属表面层或涂覆于金属表面的合金化材料熔化,随后靠自激冷却进行凝固以得到特殊结构或特定性能的强化层。这种特殊的结构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,这取决于表面冶金的工艺参数和方法。轴承工业对这方面的研究还很少,仅在微型轴承工作表面做过激光加热强化,效果不错。

3.1.4表面薄膜强化

应用物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料性能不同的强化膜层称为表面薄膜强化。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。也包括近代发展较快的气相沉积薄膜强化方法(CVD、P-CVD、PVD)以及70年代发展起来的离子注入表面强化技术(也称原子冶金技术)[11]。种类繁多的表面薄膜技术其共同的特点是均能在工件表面形成特定性能的薄膜以强化表面的耐磨性,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表面强化在模具表面中的应用

3.2.1不改变表面化学成分的强化技术

主要有表面形变和激光处理。常用表面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。表面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表面。喷丸是利用高速弹丸强烈冲(撞)击工件表面,使表层形成高残余压应力和表层组织位错密度增加,产生形变硬化层[12]

激光加工热表面淬火是在20世纪70年代出现的大功率激光器发展起来的新技术。利用激光束照射到金属材料表面时,其红外能量被零件表层吸取而迅速形成很高的温度达到相变温度以上,内部材料则保持冷态,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,而且强化后模具表面光滑如初,变形小,基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改变表面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编辑的重视,在工艺设备、技术应用等方面都取得了很快很好的发展。

    表面覆膜强化主要有气相沉积工艺、电火花表面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层的模具寿命则可提高l~20倍。电火花表面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。广州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表面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。我国大部分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,发动机汽缸表面的腐蚀和磨损严重,且对零件表面修复和表面处理要求很高。

    对于进口车辆发动机,需要根据具体工作环境,采用适宜的材料表面强化技术,制定合理的修复方案。在近20年来材料表面强化技术得到迅速发展,主要是因为采用这种技术成本较低,而且对控制和减少磨损行之有效[1]。材料表面强化技术是通过各种表面涂层技术与表面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,使零件表面获得特殊的成分、组织结构和表面性能,以满足零件表面的技术要求。针对各种零件表面的失效形式特征和机理,综合或复合应用各种材料表面强化技术进行维修与防护,广泛应用于制造行业和维修行业机械设备的防腐、耐磨、装饰或赋予零件表面特殊性能[13]。材料表面强化技术种类较多,主要包括表面组织改变强化、表面成分改变强化和表面沉积强化。下面对这几种主要强化方式进行综合先容及比较。

3.3.1表面组织改变强化

    对于表面组织改变强化的零件,所有因处理而引起的变化均在基体内,属于显微组织的变化。表面形变强化和表面热处理强化是表面组织改变强化的两种形式。表面形变强化一般是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形,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。表面层的密度越高、亚晶越细,则其强度、硬度越高。表面热处理强化是利用固态相变,通过快速加热的办法,对工件表面进行淬火,所以也称表面淬火,如火焰、激光、等离子淬火等,利用表面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表面成分改变强化

    强化措施在于使表面或表层成分发生变化,或者再进行适当的热处理,使表面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,以改变金属表面层的化学成分,使零件表面产生不同于基体结构的化合物和固溶体,以提高金属表面层的性能。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表面沉积强化

    表面沉积强化是在零件表面加入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表面层。这种强化技术主要包括表面冶金强化和表面薄膜强化。表面冶金强化是利用表面层金属的重新熔化和凝固,以得到预期成分或组织的材料表面强化技术。一般均采用高能量密度的快速加热,将金属表面熔化或将涂覆在金属表面的合金材料熔化,随后靠自激冷却进行凝固而得到硬化层。经过这种快速熔化一凝固的表面处理过程,使金属表面能够产生特殊结构层,结构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。表面薄膜强化是通过物理或化学方法,在金属表面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,后者的表面层与沉积或被覆层无明显界限,而表面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。

    电镀和化学镀是表面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,可以从多种表面处理工艺中选用一种对零件表面进行强化,也可以选用一种以上进行复合处理,但必须遵循的原则就是性能高、成本低,即选用性能价格比高的强化工艺。

3.4表面技术在飞机结构修理中的应用

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,其表面会出现划伤、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钢件的工艺规范,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、成本低,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,表面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表面,有研究人员通过分析飞机起落架作动筒内壁磨损失效的原因,采用n-A12O3/Ni-Cr复合刷镀技术,对磨损部位进行修复,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,节省了资源成本。

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,而作动筒的活塞则是其中的关键部件,由18Cr2Ni4WA高强度钢制成,表面采用法兰处理。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,威胁飞行安全。

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- 钨镀层进行修复。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,镀层硬度达到705HV ;网格剥离试验表明,镀层无脱落,附着力良好;弯曲试验表明,镀层无脱落;杯突高度为5.1mm;镀层磨损量为0.118 mg/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成本的需求的提高,以及表面技术的飞速发展,表面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表面技术在飞机结构中的应用进行了论述,还有很多新兴的表面技术正在研究和推广中。可以预见,表面技术的迅速发展,新兴的表面技术的涌现,将有力推动飞机结构修理技术和水平的发展,并为航空领域带来巨大的经济效益。

3.5表面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表面开始,提出表面强化技术能赋予零件表面不同于基体材料的化学成分和组织结构。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,大多是由于材料表面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表面和近表面,或者先从表面开始,然后向内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,提高材料的表面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。由此应运而生的表面强化技术作为一门独立学科得到快速发展,并且成为工业发达国家今后机械工业发展的新重点。

(1)零件材料表面强化的意义:

充分发挥材料的潜力

    实践表明,采用传统的表面强化技术,如表面淬火、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,同时表面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度,使零件的使用寿命显著提高。而近代新发展起来的气相沉积技术、离子注入技术等表面强化技术,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1000~1 500℃,其使用寿命比沉积TiC提高3倍,比未沉积提高5倍。

    节约材料资源

    用一般材料经表面强化技术处理后,代替部分昂贵的稀缺材料,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。

    制备具有特殊性能的表面层

    随着工业和科学技术的发展,对零件材料不断提出新的要求,其中某些特殊要求只能靠表面强化技术才能达到。例如:利用激光加热可实现表面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,则可以显著提高耐腐蚀能力。

3.6电火花表面强化技术的应用

电火花表面强化技术是表面强化技术的重要组成部分,与其他表面技术相比,电火花表面强化技术具有设备简单、操作容易、成本低、无热影响区、无热变形等优点,可用于模具、刀具及机械零件的表面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、环保的表面工程技术,具有极大的发展和应用空间,它不但可以进行工件的表面改性、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发展前途。但是目前电火花表面强化技术仍存在一些不足.主要是工作效率低、表面粗糙度难以控制,还需要科研工编辑对其进行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表面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表面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,对磨损部位进行表面渗碳,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表面强化C、Ni基材料,以提高部件使用寿命。2003年,国内某航空发动机企业与中国农机院表面工程技术研究所合作。

3.6.2在电力和军事领域的应用

    电火花表面强化技术在大型电力设备表面缺陷修复中发挥了积极作用。例如,深圳东宝企业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,成本高(1000元以上),采用D9110型强化机,选取YC,8电极,对其进行电火花表面强化与修复,只花费十多元钱,30min就修复完毕,节约了成本,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,云南铜业科技发展股份有限企业的辊轮进行了电火花表面沉积处理,在其表面沉积一层WC陶瓷电极材料,表面层硬度达到HVl400,寿命提高了4倍。磨损是导致轧辊失效的主要形式,在轧辊表面采用电火花打毛,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合适的电极对其表面强化后,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,选用高强度合金结构钢42CrMo作为销轴材料,经调质、表面高频淬火后,进行电火花表面强化,使表面形成深0.010.03ram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12倍。

3.6.4电火花强化技术的发展趋势

目前电火花表面强化技术尚待解决的主要问题有:强化层较薄;强化层厚度与表面粗糙度不易协调;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范围。为了更好的发展和应用该技术,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佳沉积效果;

(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。

    电火花表面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,未来发展潜力巨大。随着科学技术的不断发展和人们对强化技术的认识,电火花表面强化技术将会得到更进一步的发展,在材料表面强化和零部件修复中发挥重要作用,具有广阔的发展前景和应用价值。 

结  论

材料表面处理技术简称材料表面技术,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表面特殊性能,以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面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表面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表面进行改性,使材料表面获得更高的表面性能。研究表明,采用传统的表面强化技术,如表面淬火、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,同时表面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度,使零件的使用寿命显著提高。

近代新发展起来的气相沉积技术、离子注入技术等表面强化技术,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。对各种材料表面强化技术的了解及比较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。

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