表面强化技术在机械零件中的应用.pdf

第 2 9卷第 l 0 期 2 O O 8年 1 0月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e 1 V0 1 ． 2 9 No ． 1 0 O c t ． 2 O08 嚼 工艺 装备 铆 表面 强化技术在机械零件 中的应 用 孙 振 宇 鹤壁煤业技师学 院，河南 鹤壁 4 5 8 0 0 0 摘要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 。 关键词表 面强化技术 ；机械零件 ；分类 ；应用 中图分类号T G 1 5 ；T G 1 7 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 8 1 0 ． 0 0 8 5 ． 0 2 Ap p l i c a t i o n o f S u r f a c e S t r e n g t h e n i n g Te c h n o l o g y i n M e c h a nic a l Pa r t s S UN Zh e ny u H e b i C o l l e g e o f C o a l M i n i n g T e c h n i c i a n ， H e b i 4 5 8 0 0 0 。C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e i n v a l i d a t i o n o f t h e me c h a n i c a l p a r t s s t a r t mo s t l y f r o m the s u r f a c e，the s u r f a c e s t r e n g t h e n i n g t e c h n o l o g y c a n g i v e th e p a r t s u r f a c e th e d i ff e r e n t c h e m i c a l i n g r e d i e n t a n d o r g a n i z a t i o n f r o m th e o 6 gi n a l m a t e ri a l s w e r e r a i s e n ． I t c a n n o t o n l y k e e p th e m a t e r i a l s o r i gi n al f u n c t i o n ， b u t a l s o h e l p m e c h a n i c a l p a r t s o b t a i n s o m e s p e c i a l f u n c t i o n s．F o r e x a mp l e ，r e s i s t i ng f i c t i o n，r e s i s t i ng i r o n，r e s i s t i ng h i g h t e mp e ml u m ，r e s i s ti ng o x i da t i o n，r e s i s t i ng f a tig u e、 r e s i s t i n g r a d i a t i o n a n d S O o n．3 bu s ，the u s i ng of t h e t ec hno l o gy w i l l ma k e ma t e r i a l s t o g e t n l o re p o t e n t i al，a n d e nla r g e i ts a p p l i c a t i o n fi e l d s ，a n d p rol o n g the s e r v i ng l i f e f o r me c h a n i c a l p a r t s． Ke y wo r d s s u r f a c e s t r e n g t h e n i n g t e c hn o l o gy ； me c h an i c a l p a r t ； s o r t ； a p pl i c a t i o n 0引言 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。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 1 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 T i 或 B 后 ， 在极恶劣 的条件下工作 8 0 0 0 h后 ， 喷嘴仅扩大 3 0～ 5 0 t u n ， 而 一 般喷嘴工作 3 h后孔径扩大 1 0 0 b t m； 经化学气相 沉积 a A 1 2 0 3的硬质合金刀头 ， 高速切削时温度可 达 1 0 0 0～1 5 0 0 c IC ， 其使用寿命 比沉 积 T i C提高 3 倍 ， 比未沉积提高 5倍。 2 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 4 0 C r 渗硼代替 C r l 2 Mo V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。 3 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一2 0 N b一1 0 Mo 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 5 t u n的钼 ， 则可 以显著提高耐 腐蚀能力 。 2表面强化技术的分类及应用 2 ． 1 表 面形变强化技术 表面形变强化是在外力作用下使材料表面层产 一 8 5 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N o ． 1 0 表面强化技术在机械零件中的应用孙振宇 第 2 9卷第 1 0 期 生塑性变形从而形成高硬度 、 高强度的硬化层。目前 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。特 别适用于有缺口的零件 、 零件的截面变化处、 圆角、 沟 槽及焊缝等部位 的强化。表面形变强化实质是使表 面层产生极为强烈的塑性变形和加工硬化 ， 强化层 内 组织结构细密又具有表面残余压应力 使得零件具有 较高的疲劳强度。如弹簧经喷丸强化后可以消除热 轧和热处理时在边楞上留下的缺陷和脱碳影响， 疲劳 强度将显著提高； 球墨铸铁曲轴碳氮共渗处理后 ， 再 对轴颈与轴肩过渡圆角滚压加工 ， 可以形成 0 ． 5／ a n 的形变强化层 ， 其疲劳强度提高近 1 倍。 2 ． 2 表面热处理强化技术 表 面热处理 强化技术是利用金属材料 固态相 变， 获得具有高硬度 、 高强度的细小马氏体组织的强 化工艺 ， 也就是传统的表面淬火 。 采用感应加热、 流动粒子炉加热 、 电接触加热等 传统工艺 ， 是低能量密度表面强化工艺 ， 广泛应用于 齿轮 、 轴类零件 以及机床导轨 、 汽缸套等零件的表面 强化 。 高能量密度加热表面强化工艺是新发展起来的 表面强化技术 ， 它是利用高能量密度的 C O 2激光束 瞬间扫描加热材料的表面 ， 随即撤离 ， 使局部金属由 珠光体急速相变为奥 氏体 ， 借助工件 自身导热激冷 比普通的水淬冷却要快 1 0 0 0倍 以上 ， 使 扫描区 域得到极细密的高硬度 的马 氏体组织 ， 该技术在一 般的动力机械， 如各种汽车 、 内燃机车 、 轧棉机 ， 轧钢 机上的某些齿轮类、 轴类及轧辊类零件上应用最广。 尤其是那些直径大小不等 的圆筒形铸铁件 的内壁 ， 便于采用激光加热表面热处理强化 ， 使其使用寿命 要 比不淬火 的同种零件至少提高 1 2 倍。 2 ． 3 化学热处理表 面强化技术 化学热处理表面强化技术是将工件放到活性介 质中， 加热到一定温度 ， 使一种或几种元素渗入到工 件表层 ， 以改变其化学成分和组织结构 ， 从而获得具 有特殊性能的表 面层 的工艺， 该技术可 以使零件表 面具有下列性能 1 提高表面层硬度， 具有良好的耐磨性， 抗咬 合及抗擦伤能力。 2 提高零件的疲劳强度、 使用寿命。 3 改善零件润滑条件 ， 降低摩擦系数 ， 达到减 小摩擦的 目的。 4 提高机械零件的抗腐蚀性能。 5 提高材料的抗高温氧化能力。 以提高硬度、 耐磨性的化学热处理表面强化技 术为例， 该技术主要工艺有渗硼、 渗钛、 渗铌、 渗铬以 及为改善渗层脆性 ， 提高耐磨 、 耐腐蚀 、 抗 氧化 和热 稳定性 的以渗 硼为 主的多元 渗 ， 如 BV、 BS i 、 Bc r 、 Bc u等。这些工艺技术不但能成倍提高许 多磨损件的使用 寿命 ， 而且可 以用碳钢或低合金钢 渗硼后代替高合金钢从而节约贵重材料 ， 如 4 5钢渗 硼处理的无缝钢管拉拔模 比原渗碳模 寿命 高 6倍 ； 用 G C r l 5 制造测量精度为 0 ． 0 0 1 ～0 ． 0 0 5／ a n 气动仪 器测量头 ， 经 渗硼处理 后 ， 寿命 可提 高 1 0～1 8倍。 现今 ， 渗硼已扩大应用到硬质合金 、 有色金属及耐热 合金等材料。 2 ． 4 表面涂覆层强化技术 通过物理的或化学的方法在金属表面涂覆一层 或多层与金属基体不同而具有耐磨 、 耐腐蚀、 耐热等 特殊性能的薄膜 约为几百 A到几十 肿 称为表面 涂覆层强化技术 。大多数零件被覆膜后不需要再加 工 ， 目前常用 的表 面涂覆层强化技术方法大致有 3 种 化学和电化学法 、 气 相沉积法和离子注入法 等。 该工艺广泛应用于从 E t 常用 品到宇航 、 核能等各个 领域。 化学和 电化学法 ， 气相沉积法在我国技术已比 较成熟 ， 在此不再赘述。离子注人技术是将几万 到 几十万电子伏的高能束流离子注入到固体材料表面 层 几百 A 几千 A ， 从而改变材料表面层的综合 机械性能的一种新的原子冶金方法。该技术由英 国 核研究中心首先采用， 近年来 ， 我国的研究工作也在 迅速开展 ， 已对 2 O多种模具 、 刀具 、 磁头以及航空航 天和核工程用精密轴承等相继进行离子注入强化研 究。虽然该技术到 目前为止还未广泛应用 ， 但从实 验室试验和部分机械工业 的应用情况来看 ， 已经呈 现出 良好 的效 果。常用 的注 入 离子 有 N i 、 C r 、 T i 、 T a 、 c 、 N 、 B 等 ， 注入层虽仅有 几千 A厚 ， 但可在几微米到几十微米表面层显示 良好 的作用。 如汽车冲压模具注入 N 后 ， 可提高使用寿命 1 0倍 以上 ； T i 6 A 1 4 V材料注入 B a 2 后 ， 可使其在 6 O O o C时 的氧化速度降低 8 0倍。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 国科技工作 者的重视 ， 相信其在工艺设备 、 技术应用等方面都将 取得更快更好的发展 。 3 结语 随着高新技术的飞速发展以及机械制造领域产 业结构的变革 ， 对于耐磨损 、 耐腐蚀 、 耐高温 以及光 、 电、 磁等性能优异的先进材料需求 的 E t 益增长 ， 表面 强化技术的发展必将更加成熟完善。 参考 文献 [ 1 ] 周风云 ． 工程材料及应用 [ MI ． 武汉 华 中科技 大学 出版社 ， 2 O 0 2 ． [ 2 ] 杨瑞成， 丁旭， 季根顺 ， 等 ． 机械工程材料[ M] ． 2 版． 重庆 重庆大 学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 肖寿仁 ， 邓 晓春 ． 刀具涂层材料 的现状与发展趋势 [ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 0 6 ． 2 7 9 46 ． 作者简介孙振宇 1 9 7 3 一 ， 山西灵丘人， 讲师， 1 9 9 8 年毕业于 中国矿业大学机械设计及制造专业 ， 主要 从事机械 专业 的教学与研 究工作， 电话 0 3 9 2 2 9 1 2 2 6 0 ， 电子信箱t s h e n s u n l y a h o o ． 12 0 11 1 ． e n 或 x i a o s o n a n 0 5 1 2 6 ． e o m． 一 8 6一 收稿 日期 2 0 0 8 ． 0 5 - 2 4 维普资讯