表面強(qiáng)化
關(guān)注創(chuàng)建者：化石 創(chuàng)建時(shí)間：2018-10-16
表面強(qiáng)化的視頻教程
基于ABAQUS子程序的激光沖擊強(qiáng)化過程母版教程
激光沖擊強(qiáng)化（LSP）作為材料表面強(qiáng)化、抗疲勞改性的核心技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域，而 Abaqus 作為主流有限元仿真工具，是實(shí)現(xiàn) LSP 過程精準(zhǔn)模擬的關(guān)鍵載體。本課程為LSP 仿真學(xué)者量身打造，以 “一步一演示、一講一實(shí)操” 的方式，用 5 個(gè)多小時(shí)的詳細(xì)講解，帶大家從零掌握 Abaqus 激光沖擊仿真的全流程，攻克新手入門難點(diǎn)、規(guī)避建模與仿真陷阱。
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表面強(qiáng)化的實(shí)例教程
表3所示為幾種不同鋼材的鋼輥表面粗糙度(表中A：JIS S48C，鍛造材料；B：JIS S48C，延壓材料；C：JIS S50C，延壓材料)。圖11所示為鋼輥試件的形狀和尺寸示意圖。
圖 11 鋼輥試件的形狀尺寸
圖12所示為不同表面粗糙度齒輪材料鋼輥試件的最大赫茲接觸應(yīng)力與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系。研究表明表面粗糙度最低的C鋼輥具有較高的接觸疲勞壽命極限，有模擬加工直徑0.1 mm小孔的表面缺陷的C′鋼輥接觸疲勞壽命最低。
圖 12 最大赫茲應(yīng)力與齒面疲勞壽命關(guān)系
3.2 齒輪噴丸強(qiáng)化
噴丸強(qiáng)化通過機(jī)械手段在齒輪表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面產(chǎn)生形變改性層，從而使表面強(qiáng)度提高，是齒輪提高齒輪疲勞強(qiáng)度廣泛應(yīng)用的方法。噴丸處理使齒面強(qiáng)化層內(nèi)產(chǎn)生很大的塑性變形，齒面表層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，誘發(fā)轉(zhuǎn)變成的馬氏體有方向性，并沿滑移線平行成束排列，原始馬氏體的位錯(cuò)密度增加，結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，噴丸使得齒輪的表面顯微硬度和齒面數(shù)十微米下的殘余壓應(yīng)力提高，可大幅度提高汽車齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限和使用壽命。
噴丸處理使得齒輪表面完整性發(fā)生下列主要變化，即① 引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)；② 形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)；③ 表面硬度的變化；④ 表面粗糙度改變；其中①②③前 4種表層變化，均可改善齒輪的疲勞壽命，而噴丸帶來的表面粗糙度增加則可能降低材料疲勞性能，對(duì)齒輪的噪聲產(chǎn)生惡化，不利于汽車的振動(dòng)噪聲特性。通過控制噴丸強(qiáng)度、丸粒直徑等工藝參數(shù)、采取復(fù)合噴丸來改善噴丸對(duì)齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強(qiáng)化表面完整性的控制關(guān)鍵則主要體現(xiàn)在對(duì)齒面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與表面粗糙度的控制，避免出現(xiàn)“欠噴”和“過噴”兩種不當(dāng)?shù)膰娡?em>強(qiáng)化。
3.2.1 強(qiáng)力噴丸
日本在汽車齒輪抗彎曲疲勞強(qiáng)度表面強(qiáng)化技術(shù)研究方面，研究開發(fā)了多種形式的齒輪表面噴丸強(qiáng)化處理技術(shù)。
展開 表面強(qiáng)化處理方法很多,主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。采用不同的表面強(qiáng)化處理工藝,可使模具使用壽命提高幾倍甚至于幾十倍,近幾年又出現(xiàn)了一些表面強(qiáng)化工藝,本文著重四個(gè)方面介紹,供同行參考。
1.離子滲氮,為了提高模具的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞和防粘附性能,可采用離子滲氮。離子滲氮的突出優(yōu)點(diǎn)是顯著地縮短了滲氮時(shí)間,可通過不同氣體組份調(diào)節(jié)控制滲層組織,降低了滲氮層的表面脆性,變形小,滲層硬度分布曲線較平穩(wěn),不易產(chǎn)生剝落和熱疲勞。可滲的基體材料比氣體滲氮廣,無毒,不會(huì)爆炸,生產(chǎn)安全,但對(duì)形狀復(fù)雜模具,難以獲得均勻的加熱和均勻的滲層,且滲層較淺,過渡層較陡,溫度測(cè)定及溫度均勻性仍有待于解決。
離子滲氮溫度以450~520℃為宜,經(jīng)處理6~9h后,滲氮層深約0.2~0.3mm。溫度過低,滲層太薄;溫度過高,則表層易出現(xiàn)疏松層,降低抗粘模能力。離子滲氮其滲層厚度以0.2~0.3mm為宜。磨損后的離子滲氮模具,經(jīng)修復(fù)和再次離子滲氮后,可投入使用,從而可大大地提高模具的總使用壽命。
2.氮碳共滲,氮碳共滲工藝溫度較低(560~570℃),變形量小,經(jīng)處理的模具鋼表面硬度高達(dá)900~1000HV,耐磨性好,耐蝕性強(qiáng),有較高的高溫硬度,可用于壓鑄模、冷鐓模、冷擠模、熱擠模、高速鍛模及塑料模,分別可提高使用壽命1~9倍。但氣體氮碳共滲后常發(fā)生變形,膨脹量占化合物厚度的25%左右,不宜用于精密模具。處理前必經(jīng)去退火和消除殘余。
例如:Cr12MoV鋼制鋼板彈簧孔沖孔凹模,經(jīng)氣體氮碳共滲和鹽浴滲釩處理后,可使模具壽命提高3倍。又如:60Si2鋼制冷鐓螺釘沖頭,采用預(yù)先滲氮、短時(shí)碳氮共滲、直接淬油、低溫淬火及較高溫度回火處理工藝,可改善心部韌性,提高冷鐓沖頭壽命2倍以上。
展開 齒輪模具激光表面強(qiáng)化技術(shù)是指在數(shù)控環(huán)境下，利用高能量密度的激光束和涂料或熔覆材料對(duì)齒輪或模具表面進(jìn)行處理，改變其表層的組織或成分，實(shí)現(xiàn)表面相變強(qiáng)化或增強(qiáng)性修復(fù)的技術(shù)。 激光相變強(qiáng)化的金屬材料學(xué)
所謂激光相變強(qiáng)化，是用激光束掃描工件，使工件表層快速升溫到Ac3臨界點(diǎn)以上，受熱層在光斑移開時(shí)，由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度舜間進(jìn)入馬氏體區(qū)或貝氏體區(qū)，發(fā)生馬氏體相變或貝氏體相變，完成相變強(qiáng)化過程。
相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同材質(zhì)、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)硬度、強(qiáng)化層深度可控。在傳統(tǒng)熱處理工藝中影響強(qiáng)化效果的技術(shù)因素，在激光相變強(qiáng)化中所起的作用發(fā)生了很大變化。
1.彌散強(qiáng)化和畸變強(qiáng)化
激光相變強(qiáng)化形成奧氏體，當(dāng)停止激光照射，金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體，不管是表層，還是里層，奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機(jī)會(huì)。彌散的奧氏體晶粒，形成彌散的馬氏體相或貝氏體相，使組織具有晶格強(qiáng)化的同時(shí)具有彌散強(qiáng)化效果。而且，在激冷條件下形成的馬氏體晶格，比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時(shí)，殘余奧氏體也獲得極高的位錯(cuò)密度，使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果，強(qiáng)度大大提高。
2.無氧化脫碳淬火
在傳統(tǒng)熱處理中，工件在加熱過程如沒有保護(hù)措施，便會(huì)發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，使工件的硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。
激光相變強(qiáng)化所使用的吸光涂料具有保護(hù)工件表面免遭氧化的性能。
3.激光強(qiáng)化的抗疲勞機(jī)理
影響金屬材料抗疲勞性能的原因之一是疲勞裂紋的萌生時(shí)間。磨損和疲勞在材料損傷過程中交互促進(jìn)，磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，加速疲勞裂紋的萌生，材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后，表面粗糙度嚴(yán)重惡化，磨損也將加劇。
激光強(qiáng)化層具有較強(qiáng)的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。
展開 噴丸強(qiáng)化是利用高速彈丸流對(duì)金屬材料表面進(jìn)行沖擊，使其表面及近表面發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)應(yīng)變硬化、組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力的變化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室溫下和疲勞斷裂抗力和應(yīng)力腐蝕開裂抗力。
本文研究了高強(qiáng)度彈簧鋼50CrVA無缺口板狀試樣經(jīng)淬火回火后達(dá)到1200～1800MPa的抗拉強(qiáng)度時(shí)表面處理后的殘余應(yīng)力，以及各種表面狀態(tài)下的疲勞行為。
材料和熱處理
50CrVA主要成分見表1。用長400mm的試樣先在860℃淬火，然后分別在390℃、500℃、615℃進(jìn)行回火，獲得了抗拉強(qiáng)度為1200MPa、1500MPa、1800MPa的試樣。試樣按表2進(jìn)行表面處理。
表1 50CrVA主要成分(%)
表2 表面狀態(tài)和材料狀態(tài)
試驗(yàn)結(jié)果
試樣的加載采用四點(diǎn)彎曲法，最小應(yīng)力為常數(shù)200MPa，最大應(yīng)力可變。殘余應(yīng)力的測(cè)試采用X射線法，晶格變形可按照Sin2ψ 法計(jì)算。為了測(cè)量殘余應(yīng)力分布，使用電解拋光對(duì)試樣的表面進(jìn)行連續(xù)剝層。
疲勞試驗(yàn)前的表面狀態(tài)見表3，抗拉強(qiáng)度1500MPa的試樣表面粗糙度，在未噴丸時(shí)大約為31μm，而經(jīng)噴丸處理后升高至63μm，強(qiáng)度為1200MPa的試樣情況與此類似。但1800MPa的高強(qiáng)度水平的試樣噴丸后表面粗糙度卻顯著的降低至37μm。
表3 疲勞試驗(yàn)前的表面狀態(tài)
試樣表面上的殘余壓應(yīng)力隨著抗拉強(qiáng)度的增加而增加，并且殘余壓應(yīng)力的最大值和它在表面層下的深度也與此類似。預(yù)應(yīng)力噴丸使試樣表面產(chǎn)生了最大的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)預(yù)應(yīng)力噴丸不但使殘余應(yīng)力的最大值增加，而且使最大值距表面的深度增加。
展開 有代做或答疑超聲擠壓零件表面加工仿真的么
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表面強(qiáng)化的最新內(nèi)容
D-噴丸處理
噴丸處理是一種利用高速氣流將彈丸噴射到零件表面形成強(qiáng)化層的方式。該方法可以改善零件表面的硬度和抗疲勞性能。噴丸處理過程中，彈丸材質(zhì)和噴射速度對(duì)零件表面的強(qiáng)化效果有很大影響。
E-激光處理
激光處理是一種利用高能量激光束對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱或冷卻的方法。該方法可以改善零件表面的硬度、耐磨性、抗疲勞性能。
Gabb等[70,71]對(duì)表面噴丸強(qiáng)化的ME3合金進(jìn)行了熱腐蝕后的疲勞性能研究。研究結(jié)果表明，對(duì)于未噴丸強(qiáng)化的ME3合金，熱腐蝕使低周疲勞壽命降低了60%～98%，疲勞裂紋萌生與腐蝕坑的大小和間距密切相關(guān)。此外，溫度對(duì)于熱腐蝕下的疲勞裂紋萌生也有影響。高溫（704℃）時(shí)裂紋沿腐蝕坑周圍晶界萌生，低溫（204℃）時(shí)裂紋由腐蝕坑底部晶界萌生。
電磁感應(yīng)淬火是廣泛采用的表面強(qiáng)化技術(shù)之一。電磁感應(yīng)淬火工藝過程涉及多種物理場(chǎng)的復(fù)雜耦合，包括電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等。電磁感應(yīng)淬火工藝方案設(shè)計(jì)需要綜合運(yùn)用多學(xué)科理論與知識(shí)，難度非常大，而且對(duì)于新產(chǎn)品的感應(yīng)淬火問題，往往需要進(jìn)行反反復(fù)復(fù)的試驗(yàn)，周期長、成本高，大大影響了電磁感應(yīng)淬火工藝應(yīng)用的綜合效果。
一般發(fā)生在表面強(qiáng)化的材料中，如滲碳鋼中。
疲勞磨損影響因素
疲勞磨損的改善措施：提高摩擦面硬度、采用表面強(qiáng)化工藝、提高冶金質(zhì)量、減少缺陷、提高潤滑劑粘度、增大膜厚比，消除水分。
目前國內(nèi)汽車企業(yè)的表面處理技術(shù)仍以傳統(tǒng)電鍍、電泳、磷化、鈍化發(fā)黑、滲碳滲氮等技術(shù)為主，新型表面處理技術(shù)例如高能束流表面強(qiáng)化、等離子噴涂、表面納米強(qiáng)化、表面復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)等應(yīng)用比例占比仍然較低，行業(yè)整體技術(shù)水平仍有較大提升空間，汽車的表面不僅要求高的耐磨性、耐蝕性及抗疲勞強(qiáng)度，而且還應(yīng)保證汽車在高速、高壓、載重及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)工況下持續(xù)地運(yùn)行。
以上研究是通過分散水合物相、降低傳質(zhì)阻力層的方式來減少表面擴(kuò)散距離，強(qiáng)化表面擴(kuò)散通道來提高氫氣水合物的形成速率。這些方法雖然在一定程度上提高了水合儲(chǔ)氫速率，但由于熱力學(xué)促進(jìn)劑分子始終占據(jù)水合物大籠，也相對(duì)限制了水合儲(chǔ)氫密度的發(fā)展。
如圖11所示，金屬網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置利用網(wǎng)幕的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化表面張力，是目前實(shí)現(xiàn)液氫氣液分離的最佳方案。此外，低溫推進(jìn)劑管理裝置設(shè)計(jì)不僅要考慮不同加速度環(huán)境下的蓄留能力、推進(jìn)劑沉底及再填充情況，還需考慮低溫推進(jìn)劑的冷卻，往往需要加裝再生冷卻器避免產(chǎn)生氣蝕，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。
共享智能裝備有限公司
應(yīng)用單位：煙臺(tái)冰輪重型機(jī)件有限公司、格力（武安）精密裝備制造有限公司
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零件修復(fù)再制造
工程機(jī)械關(guān)鍵零部件修復(fù)與再制造
裝備制造商/服務(wù)提供商：江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司
應(yīng)用單位：徐州重型機(jī)械有限公司、徐州徐工液壓件有限公司
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風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件表面強(qiáng)化修復(fù)
AR鍍膜玻璃又稱增透射玻璃或減反射玻璃，是利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在普通的強(qiáng)化玻璃表面鍍上一層減反射膜，有效消減玻璃本身的反射，增強(qiáng)玻璃的透過率。
受益于各新型顯示技術(shù)的逐步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以及5G和IoT驅(qū)動(dòng)下智能家居等市場(chǎng)領(lǐng)域的開拓，顯示面板產(chǎn)業(yè)整體出貨面積預(yù)計(jì)仍將保持上升趨勢(shì)，顯示及觸控終端市場(chǎng)出貨面積的正向發(fā)展也將帶動(dòng)上游PVD鍍膜產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的相應(yīng)成長。
激光表面處理是用激光的高輻射亮度、高方向性、高單色性特點(diǎn)作用于金屬材料特別是鋼鐵材料表面, 可顯著提高材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等一系列性能, 從而延長產(chǎn)品的使用壽命并降低成本, 如利用激光熔敷技術(shù)對(duì)扶正器進(jìn)行表面強(qiáng)化來提高其表面耐磨、耐蝕性能。
