表面改性技术

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1、第七章外表改性技术外表改性是指采用某种工艺手段使材料外表获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。外表改性处理目的：既能发挥基体材料的力学性能；又能使材料外表获得各种特殊性能如耐磨，耐腐蚀，耐高温，适宜的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等。外表改性技术的作用：可以掩盖基体材料外表的缺陷；延长材料和构件的使用寿命；节约稀、贵材料；节约能源，改善环境；对各种高新技术的开展具有重要作用。一、外表形变强化原理外表形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。根本原理:通过机械手段(滚压、内挤压和

2、喷丸等)在金属外表产生压缩变形，使外表形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm—1.5mm。7.1金属外表形变强化在此形变硬化层中产生两种变化：1.在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；2.形成了高的宏观剩余压应力。外表压应力防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。在大多数材料中这两种机制并存。在软质材料情况下第一种机制占优势；在硬质材料的情况下第二种机制起主导作用。经喷丸和滚压后，金属外表产生的剩余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的

3、硬化率有关。具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，外表产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2-4倍。材料的硬化率越高，产生的剩余压应力越大。此外，一些外表形变强化手段还可能使外表粗糙度略有增加，但却使切削加工的锋利刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的锋利刀痕的不利影响。这种外表形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属外表强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。二、外表形变强化的主要方法及应用(一)外表形变强化的主要方法外表形变强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。强化效果显著，本钱低廉。常用的金属外

4、表形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺,尤以喷丸强化应用最为广泛。1．滚压目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在外表产生约5mm深的剩余压应力。外表滚压强化示意图2．内挤压内孔挤压是使孔的内外表获得形变强化的工艺措施，效果明显。3．喷丸喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的外表强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件外表，使之产生形变硬化层并引进剩余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗

5、应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀(孔蚀)能力。(二)喷丸外表形变强化工艺及应用1．喷丸材料(1)铸铁弹丸(2)铸钢弹丸(3)钢丝切割弹丸(4)玻璃弹丸(5)陶瓷弹丸(6)聚合塑料弹丸应当指出，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否那么会损伤零件外表。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁台金、钛合金和不锈钢制件那么需采用不锈钢九、玻璃丸和陶瓷丸。2．喷丸强化用的设备喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为机械离心式喷丸机和气

6、动式喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。(1)机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。弹丸的速度取决于叶轮转速和弹丸的重量。3.外表形变强化的应用喷丸强化的应用实例(1)20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，剩余压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。(2)液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40℃下使用14h就发生应

7、力腐蚀破坏；容器内外表经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金(Inconel718)涡轮盘等制造中获得应用。外表热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，是最根本、应用最广泛的材料外表改性技术之一。当工件外表层快速加热时，工件截面上的温度分布是不均匀的，工件表层温度高且由表及里逐渐降低。如果外表的温度超过相变点以上到达奥氏体状态时，随后的快冷可以获得马氏体组织，

8、而心部仍保存原组织状态，从而得到硬化的外表层，即通过外表层的相变到达强化工件外表的目的7.2外表热处理外表淬火在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件外表的热处理方法。外表热处理工艺包括：感应加热外表淬火火焰加热外表淬火接触电阻加热外表淬火浴炉加热外表淬火电解液加热外表淬火高密度能量的外表淬火外表保护