机械设备维修中的表面强化技术

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：在机械设备维修中常用的表面强化技术有以下几种。通常采用喷丸层强度和表面覆盖率来评定喷丸强化的效果。激光表面强化处理具有其他表面处理技术不易达到的特点，它适用材料广、变形小、硬化均匀。

机械零件的失效大多发生于零件表面，机械零件的修复不仅要恢复零件表面的形状和尺寸，还要提高零件表面的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。采用表面强化技术可以使零件表面获得比基本材料更好的性能，可以延长零件的使用寿命。在机械设备维修中常用的表面强化技术有以下几种。

6.8.1　表面机械强化

表面机械强化是通过喷丸、滚压和内挤压等方法使零件金属表面产生压缩变形，在表面形成深度可达0.3～0.5 mm的硬化层，以使金属表面强度和疲劳强度显著提高。表面机械强化成本低、效果好，其中喷丸强化应用最为广泛。

（1）喷丸强化

喷丸强化是将高速运动的弹丸喷射到零件表面，使金属材料表面产生强烈的塑性变形，从而产生一层具有较高残余压应力的冷作硬化层，即喷丸强化层。喷丸强化层的深度可达0.3～0.5 mm，能显著提高零件在室温及高温下的疲劳强度和抗应力腐蚀性能，还能抑制金属表面疲劳裂纹的形成和扩展。

由结构钢、高强度钢、铝合金、钛合金、镍基或铁基热强合金等金属材料制造的零件，均可应用喷丸强化技术。该技术已广泛应用于弹簧、齿轮、链条、轴和叶片等零件的强化，显著提高了抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损等性能。

喷射常用的弹丸有钢丸、铸铁丸、玻璃丸、不锈钢丸和硬质合金丸等。弹丸的形状为近似的球形，直径一般为0.05～1.5 mm，实心无尖角，具有一定的冲击韧性和较高的硬度。黑色金属零件喷丸强化时使用钢丸、铸铁丸或玻璃丸，有色金属零件则应避免采用钢丸或铸铁丸，以免产生电化学反应。零件表面糙度值要求越小，选择使用的弹丸直径也越小。

常用的喷丸强化方式有机械离心式喷丸和风动旋片式喷丸。决定强化效果的工艺参数有：弹丸直径、弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量及喷射角度。通常采用喷丸层强度和表面覆盖率来评定喷丸强化的效果。

（2）滚压强化

滚压强化是利用金刚石液压头或其他形式的滚压头，以一定的滚压力对零件表面进行滚压运动，使经过滚压的表面由于形变强化而产生硬化层，达到提高零件表面的力学性能的目的。滚压强化技术不仅应用于零件的制造，还可在零件修复中使用。

6.8.2　表面热处理强化

（1）表面热处理强化

表面热处理是应用最为广泛的表面强化技术，常用的有：火焰加热表面淬火、盐熔炉加热表面淬火、高频和中频感应加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火。以上除接触电阻加热表面淬火外，其他均为常规的热处理方法。

表面热处理是通过对零件表层快速加热，使表层温度升高，由表及里温度逐渐降低，当表面的温度超过相变点以上达到奥氏体状态时，快速冷却使表面获得马氏体组织，得到硬化层，而心部仍然保留原组织状态，从而达到强化零件表面的目的。

很多机床铸铁导轨的表面淬火使用接触电阻加热表面淬火工艺。这种工艺方法是利用铜滚轮或碳棒与零件间接触电阻使零件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火，淬火后不需回火。它可以提高导轨的耐磨性和抗擦伤能力，但均匀性差，淬硬层也比较薄（0.15～0.3 mm）。

（2）表面化学热处理强化

常用的表面化学热处理强化方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗金属等。

表面化学热处理的基本原理是：将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元素的活性原子。活性原子被表面吸附，并向表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层成分、组织，达到提高零件表面性能的目的。

渗金属工艺渗入的大多数为W、Mo、V、Cr等金属元素，它们与碳形成碳化物，硬度极高，耐磨性好，抗黏着能力强，摩擦系数小。渗硼可以提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。碳氮共渗可显著提高金属材料表面的耐磨、耐蚀和耐疲劳性能。

离子氮碳共渗工艺加工温度较低，零件整体变形小，对材料内部组织影响小，因而在零件修复中得到应用。离子氮碳共渗在辉光离子轰击炉内进行，工艺要点如下：

①炉内气氛

一般采用丙酮、氨混合气体，以丙酮∶氨=1 ∶9～2 ∶8为宜。

②温度

加热温度一般为（600 ±20）℃。硬度要求高的零件，取较高的温度；要求变形小的零件，取较低温度，也可选用520～560 ℃；要求渗层厚的低碳钢、铸铁及合金钢，取620 ℃左右。

③保温时间

高碳钢、中高碳合金钢、高镍铬钢、奥氏体耐热钢等，保温4 h左右；工具钢，保温2 h左右；单纯防腐及高速钢刀具，保温1 h。

④冷却速度

随炉冷却到150～200 ℃出炉后空冷。

6.8.3　激光表面处理

激光具有高功率密度、高方向性和高单色性的特点，利用激光的特点对零件表面进行强化处理，可以改变零件表面层的成分和微观结构，提高零件表面的耐磨性、耐腐蚀性及抗疲劳性。

激光表面强化处理具有其他表面处理技术不易达到的特点，它适用材料广、变形小、硬化均匀。快速、硬度高、硬化深度可精确控制。激光表面处理已用于汽车、机床、刀具、模具，以及冶金、石油机械的生产和修复中。

（1）激光表面处理原理

激光器发射出来的光，通过聚焦集中到一个极小的范围内，可以获得极高的功率密度，一般可达到108～1010 W/cm2，焦斑中心温度可达到几千摄氏度以上。

激光束向金属表面层进行热传递，金属表层与其所吸引的激光进行光热转换。由于光子穿过金属的能力极低，仅能使金属表面的一薄层温度升高，在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度在微秒级内就能达到相变或熔化温度。

（2）激光表面处理设备与技术

激光表面处理设备包括：激光器、功率计、导光聚集系统、工作台、数控系统和编程软件。激光器是主要设备，主要有固体激光器（如红宝石激光器、钕玻璃激光器）、气体激光器（如CO2气体激光器、准分子激光器）、液体激光器等。

常用的激光表面强化处理技术有：激光表面固态相变硬化、激光表面合金化、激光表面涂敷、激光表面“上光”等。

1）激光表面固态相变硬化

具有固态相变的合金（碳钢、灰铸铁及大部分合金）在高能激光束的作用下，使金属表面的温度迅速升到奥氏体转变温度，激光扫描后，工件表层温度快速冷却，如同淬火。在0.1～1 mm表层内获得超细化的马氏体，硬度比普通淬火高15%～20%，而且只是表层受热，零件变形很小。用于处理导轨、曲轴、汽缸套内壁、齿轮和轴承圈等，效果十分明显。例如，美国通用公司在生产线上使用1台1 kW CO2激光器，每分钟淬12个轴承圈。又如，一汽集团采用2 kW CO2激光器对组合机导轨进行淬火，其硬度和耐磨性远高于高频淬火的组织。

2）激光表面合金化

根据对零件表面性能的要求，先用电镀或喷涂等技术将所需要的合金元素涂敷在金属表面，再用激光照射该表面，也可以涂敷和照射同时进行。利用高能激光束进行加热，使涂敷合金元素和基体表面薄层同时熔化、混合，在表层形成一种组织和化学成分不同的新的合金材料。这样，可以在低性能材料上对有较高性能要求的部位进行表面合金化处理，以提高耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性等性能。它比渗碳、渗氮、气相沉积等方法处理周期要短许多。

3）激光表面涂敷

激光表面涂敷是将粉末状涂敷材料预先配置好并黏结在需要的部位，用高功率密度的激光加热，使之全部熔化，同时使基体表面微熔，激光束移开后，表面迅速凝结，从而形成与基体金属牢固结合的具有特殊性能的涂敷层。该工艺可在价格低廉的金属材料上覆盖一层具有特殊性能的材料，与热喷涂、电镀等工艺相比较，操作简单，加工周期短，节省材料。例如，在刀具上涂敷碳化钨或碳化钛、阀门上涂敷Co-Ni合金等，既可满足性能要求，又可节约大量高性能的材料。又如，用激光进行表面陶瓷涂敷，可避免热喷涂方法使涂层内有过多的气孔、熔渣夹杂、微观裂纹和涂层结合强度低等缺点，可获得质量高的涂层，延长零件的使用寿命。激光还可以用在有色金属表面涂敷非金属涂层，如在铝合金表面用激光涂敷硅粉和MoS2，可获得较薄的硬化层（0.10～0.20 mm），硬度大大高于基体，但要注意铝合金的预热温度，以300～350 ℃为宜。

4）激光“上光”

用高能量的激光束使具有固态相变的金属表层快速熔化，激光移开后，熔化金属快速凝固，获得超细的晶体结构，熔合表层原有的缺陷和微裂纹，有利于提高抗腐蚀性能和抗疲劳性能，特别对铸件效果十分明显。如柴油机缸套外壁经激光“上光”处理后，表面铸态结构变成超细马氏体和渗碳体的混合结构，大大提高了耐腐蚀的能力。

6.8.4　电火花表面强化

电火花表面强化工艺是通过电火花放电所产生的瞬时高温，将放电微区的电极材料和工件基体材料瞬时高速熔化，电极材料涂敷渗熔到工件材料表面，达到改变工件表层化学成分和金属组织的目的，从而提高工件表面性能。

（1）电火花强化原理

零件表面的电火花强化由火花强化机完成，电火花强化机上有脉冲电源和振动器，脉冲电源接电极和工件，电极与振动器的运动部分相连接，其工作原理如下：

在工件与电极之间接直流或交流电，在空气介质中，电极运动接近零件到一定程度，产生火花放电，脉冲电源输入能量，形成放电通道，产生高温。瞬时高温使电极和工件上的局部区域熔化甚至汽化，电极材料和被电离的空气中的氮离子等熔渗、扩散到工件表层，使其重新合金化，化学成分随之发生变化。脉冲放电时间很短暂，所熔化的工件表面的金属体积极小，被周围大量的冷金属急速冷却，形成高速淬火，从而改变了工件表面的组织结构和性能。

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，与此同时移动电极的位置，强化点相互重叠、融合，在工件表面形成一层强化层。

（2）电火花强化特点与应用

1）电火花强化特点

由于电火花表面强化一般在空气介质中进行，因此不需要特殊复杂的处理装置和设施。强化时，可根据工件表面的不同要求选择适当的电极材料，以提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性。强化层厚度可以通过电气参数和强化时间进行控制。强化过程变形小，可以安排为最后的工序。但是，电火花强化工艺的强化层比较薄（最厚可达0.06 mm），经强化后零件表面也比较粗糙。

2）电火花强化的应用

该工艺可以将硬质合金材料涂到碳素钢制成的各类刀具、量具及零件表面，可大幅度提高其表面硬度（硬度可达70～74 HRC），增加耐磨性、耐腐蚀性，提高使用寿命（1～2倍），还经常用于修复各种模具、量具轧辊的已磨损表面，修复质量和经济性都比较好。

（3）电火花强化工艺要点

进行电火花强化工艺，应注意以下两点：

1）工件

首先应掌握工件材料硬度、表面状况、工作及技术要求，确定是否采用该工艺；然后确定强化部位并进行清洁整理，强化之后应进行表面清理和检验。

2）设备及其调整

一般根据零件表面强化层的要求选择强化设备。对于粗糙度值要求较小的中型模具、刀具强化及零件修复，通常选用D9105、D9110A、D9110B等小功率的强化机。对于Ra值要求较小而需要较厚强化层的大型工件的强化和修复，可选用D9130型强化机。根据对工件表面粗糙度和强化层厚度的要求，选择强化规范。在选择电极材料上最常用的是YG8硬质合金。

在实施工件表面电火花强化时，应调整电极与工件强化表面的夹角，选择电极移动方式和确定电极移动的速度等。

机械设备维修中的表面强化技术

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