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1、表面强化技术本讲稿第一页，共十一页v适用范围：选择合理的喷丸强化工艺可以使结构钢，高强度钢、铝合金、钛合金、镍基或铁基热强合金等材料的疲劳强度得到显著提高。凡承受循环(交变)载荷或在腐蚀环境中承受恒定载荷的零件如弹簧类、齿轮类、叶片类。轴类，链条类等均可通过喷丸强化技术提高使用寿命。v弹丸材料：黑色金属、有色金属及非金属材料，常用的有钢丸，铸铁丸、玻璃丸、不锈钢丸，硬质合金丸等。v弹丸要求：近似球形、实心无尖角；具有一定的冲击韧性和较高的硬度。弹丸直径一般为0.051.5mm，弹丸越细获得的零件表面粗糙度越小，反之越高。v弹丸选择：黑色金属零件用钢丸，铸铁丸或玻璃丸，有色金属零件应避免采用钢丸
2、或铸铁丸，以免零件表面与附着的铁粉产生电化学反应。v工艺参数(决定强化效果)：弹丸直径，弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量及喷射角度，通常采用喷丸强度和表面覆盖率来评定喷丸强化的效果。v常用方法：风动旋片式和机械离心式喷丸。本讲稿第二页，共十一页二、表面热处理强化和表面化学热处理强化v1、表面热处理：v定义：通过对零件表层加热，冷却，表层发生相变，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种技术，它是最基本、应用最广泛的表面强化技术之一。v原理：当零件表面层快速加热时，零件截面上的温度分布是不均匀的，表层温度高而且由表及里逐渐降低。当表面的温度超过相变点以上达到奥氏体状态时，随后的快冷使表面获得马氏体组
3、织，而零件的心部仍保留原组织状态，表面得到硬化层，这样就达到强化零件表面的目的。v常用方法：高频和中频感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，接触电阻加热表面淬火，浴炉(高温盐浴炉)加热表面淬火等。以上除接触电阻加热表面淬火外，其它均为常规的热处理方法。本讲稿第三页，共十一页2表面化学热处理强化v定义：利用合金元素扩散性能，使合金元素渗入到零件金属表层的一种热处理方法。v原理：工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过扩散并释放出欲渗入元素的活性原子。活性原子被表面吸附并溶入表面，溶人表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。v优点：提高
4、金属表面的强度、硬度和耐磨性，提高表面疲劳强度，提高表面的耐腐蚀性，使金属表面具有良好的抗粘着能力和低的摩擦系数。v常用方法：渗硼(可提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性)，渗碳、渗氮、碳氮共渗(可提高表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度)，渗金属(渗入金属大多数为W、Mo、V、Cr等，它们与碳形成碳化物，硬度极高、耐磨性很好、抗粘着能力强、摩擦系数小)等。本讲稿第四页，共十一页三、电火花强化P68v定义：通过电火花的放电作用把一种导电材料涂敷熔渗到另一种导电材料的表面，从而改变后者表面的性能。v(如把硬质合金材料涂到用碳素钢制成的各类刀具、量具及零件表面，可大幅提高其表面硬度(硬度可达7074HR
5、C)、增加耐磨性、耐腐蚀性，提高使用寿命12倍。)v适用范围：上述各类零件的表面强化和磨损部位的修补。v原理：在电极与工件之间接直流或交流电，振动器使电极与工件之间的放电间隙频繁发生变化并不断产生火花放电，经多次放电并相应移动电极的位置，就使电极材料熔结覆盖在工件表面上，从而形成强化层。本讲稿第五页，共十一页v金属零件表面之所以能够强化，是由于在脉冲放电作用下，金属表面发生超高速淬火、渗氮、渗碳及电极材料的转移四个方面的物理化学变化。v(1)超高速淬火 电火花放电使工件表面极小面积的金属熔化。由于放电时间很短暂，而被加热的金属周围是大量的冷金属，所以被加热金属急速冷却下来，形成了超高速淬火。v
6、(2)渗氮 电火花放电区域内，空气中的氮分子被电离，它和熔化的金属中的有关元素化合成高硬度的金属氮化物，如氮化铁、氮化铬等。v(3)渗碳 来自石墨电极或周围介质中的碳元素因融于熔化的金属中而形成碳化物，如碳化铁、碳化铬等。v(4)电极材料的转移 在压力和电火花放电的条件下，电极材料接触转移到工件金属熔化表面，有关金属合金元素(W、Ti、Cr等)迅速扩散到金属表面，形成强化层。v电火花表面强化层的金相组织变化、强化层厚度、硬度及耐磨性、耐腐蚀性等均与电极材料、工件材料及强化条件有关。本讲稿第六页，共十一页v电火花表面强化的特点：v1)强化在空气介质中进行，不需要特殊复杂的处理装置和设施。v2)可
7、用于机械零件，工模夹具、量具、刃具的局部表面处理，强化前不需经过特殊预处理。v3)强化时，可根据工件表面的不同要求选择适当的电极材料，以提高表面硬度，增加耐磨性、耐腐蚀性。v4)强化层厚度可以通过电气参数和强化时间进行控制。v5)强化过程变形非常小，因此可安排为末道工序。v6)由于有一定的强化层厚度，所以电火花表面强化既可用于提高零件的硬度及耐磨性又可用于磨损件的修复。本讲稿第七页，共十一页四、激光表面处理v意义：高能密度表面处理技术中的一种主要手段，在一定条件下它具有传统表面处理技术或其它高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点，所以它已用于汽车，冶金，石油，机床，以及刀具、模具等的生产和修
8、复中，正显示出越来越广泛的应用前景。v目的：改变表面层的成分和显微结构，从而提高表面性能。v1激光的特点v(1)高方向性v(2)高功率密度v(3)高单色性本讲稿第八页，共十一页v2激光表面处理原理：激光束向金属表面层进行热传递，金属表层和其所吸引的激光进行光热转换。由于光子能穿过金属的能力极低，仅能使金属表面的一薄层温度升高，加之金属导带电子的平均自由时间只有10-3s左右，因此，这种交换和热平衡的建立是非常迅速的。从理论上分析，在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度在微秒(10-6s)级，甚至纳秒(10-9s)级或皮秒(10-12s)级内就能达到相变或熔化温度。v3激光表面处理设备：v4激光
9、表面处理技术：v（1）激光表面强化v（2）激光表面涂敷v（3）激光表面非晶态处理v（4）激光表面合金化v（5）激光气相沉积本讲稿第九页，共十一页五、电子束表面处理v原理：当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核发生弹性碰撞。而与基体金属的电子碰撞可看作主要能量传递，这种能量传递立即以热能形式传给金属表层原子，使金属表层温度迅速升高。v比较：电子束加热与激光加热不同，激光加热时金属表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。所以电子束加热的金属深度和尺寸都比激光大。v1电子束表面处理主要特点v(1)加热和冷却速度快 v(2)与激光相比，使用成本低v(3)结构简单v(4)能量利用率高v(5)熔化层厚本讲稿第十页，共十一页v2电子束表面处理技术v(1)电子束表面相变强化v(2)电子束表面重熔v(3)电子束表面合金化v(4)电子束表面非晶态处理 v3电子束表面处理设备本讲稿第十一页，共十一页