13 第十章 机械零件的失效分析和表面处理

10/20
3．电镀和化学镀 镀层装饰技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一 种较典型的表面装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和 耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果， 因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常常使制品的品位 和档次得到提高。 按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层两类。按镀层装 饰技术可分为电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等。镀层 装饰的金属有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。 电镀：是将金属工件浸入要镀金属盐溶液中并作为阴极，通以 直流电，在直流电场作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面 上沉积形成电镀层。 化学镀：是一种在无外加电流的情况下,利用还原剂在具有催 化活性的表面进行氧化还原反应而沉积出镀层的方法。溶液中一 般含有主盐，提供形成镀层的主要成分；还原剂，还原主盐中的 离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH值范围,提高沉积速度,改善镀 层光洁致密性,防止镀液中沉淀的析出,增加其稳定性并延长使用 寿命；稳定剂，抑制镀液自发分解；缓冲剂。
2）铝及铝合金的电化学氧化 铝及铝合金零件在电解液中进行电化学氧化，其 工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。
9/20
2．钢铁的磷化处理 钢铁的磷化处理是将零件浸入磷酸盐溶液中进行化学处理， 在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化”。 磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化 膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。 有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。 磷化溶液品种甚多，按磷化温度，可分为高温磷化(85-98℃)、 中温磷化(50-70℃)、低温磷化(＜35℃)；按磷化溶液成分，可 分为锌系、锰系、锌钙系等。但应用较多的是锌系的磷酸二氢 锌和锰系的磷酸锰铁制剂等。磷酸盐膜的厚度可由3-20μm，甚 至更厚。膜与基体金属有较好的结合，膜的性能较好。对大气 相在有机油类、苯、甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性； 对润滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金属、不影响零件的焊 接性能；磷酸盐膜是高电阻膜层，有很好的电绝缘性。磷酸盐 膜的颜色由暗灰到黑色，随基体合金成分及磷酸盐处理工艺的 不同，可以呈不同的颜色。磷酸盐是一种无机盐膜，其不足在 于膜本身机械强度不高，有一定脆性。磷酸盐处理过程伴随着 氢的析出、对氢脆敏感的材料，应考虑氢脆问题，特别是对高 强钢。一般对受力较小的低碳或中碳钢不会造成危害。
4/20
二、表面处理方法与分类 表面处理方法有很多，主要分为两大类：表面强化处理和表 面防护处理。常用的表面处理工艺方法有：表面热处理【包括 表面淬火(含激光表面热处理)与化学热处理】、气相沉积（包 括：化学气相沉积和物理气相沉积）、热喷涂、堆焊与喷焊、 喷丸、滚压、氧化处理、磷化、电镀、化学镀、热浸镀、搪瓷、 涂料与涂装等等。各种新方法也还在不断出现。 三、表面预处理 材料在进行表面处理前，一般需要经过预处理，包括除油、 除锈、粗化、活化和抛光。表面预处理的目的是：预先制备清 洁的表面，以便后续表面处理工序的进行、或保证覆盖层与材 料基体有牢固的结合强度。对许多表面处理工艺而言，如气相 沉积、热喷涂、电镀等表面预处理质量的好坏，在很大程度上 决定着表面处理工艺的成败。
(2)铝及铝合金的氧化处理 主要有化学氧化和电化学氧化-阳极氧化。
1）铝及铝合金的化学氧化 是把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化 膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作 用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大约0.5-4μm。这种氧化膜具 有较高的吸附能力，—般工业上作为表面涂装的底层，经化学氧化后再涂装， 可以大大提高铝及铝合金外观装饰件的抗蚀能力，使涂料的保持性增强。铝及 铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、成本低、不消耗电能，不需专门设 备，适于大批量生产。因此，化学氧化法在面饰中大量采用。
(2)选材不合理 选材时首先应满足零件的使用性能要求，保证零件正常 工作和有足够抵抗破坏的能力。往往一个零件需要同时满足几个方面的性能 要求，这就要求以最关键的性能作为选材的主要依据。
(3)加工工艺不当 零件在制造过程中，要经过一系列冷、热加工工序：任 何不正确的加工工艺都可能造成缺陷，如冷加工时零件表面有较深的刀痕； 热加工时零件内部存在裂纹、晶粒粗大等，这些都是造成零件失效的原因。
7/20
4.激光束表面合金化 激光热处理的基本原理 激光是二十世纪60年代出现的重大科 学技术成就之一，70年代开始应用于金属热处理。激光是由激 光器产生的，金属热处理大多使用CO2激光器。 激光束具有以下特性：①高方向性。光束的发散角可小于一 个到几个毫弧度，基本上是平行的。②高亮度性。光束非常强， 并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。③高单色性。 频率范围非常窄，有很好的相干性。 当激光束照射到金属表面时，其能量几乎全被表面层吸收转 变成热，可在极短时间内将工件表层加热或熔化，而工件心部 仍保持室温。当激光束离去后，通过向工件心部的传热，表层 可获得极大的冷却速度，从而实现“自冷却”淬火或快速凝固。 因此，可用激光束对钢铁零件进行表面淬火和表面合金化。
6/20
2.堆焊和喷焊 (1)堆焊 用传统的电焊方法，将合金丝或焊条熔化堆结在工 件表面形成冶金结合层的方法。如用气焊、焊条电弧焊及氩弧 焊等各种电弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，达到 修复或改善工件表面性能的目的。 (2)喷焊 是采用气体火焰或等离子焰将自溶性合金粉末熔化 或半熔化后，高速喷射到经预热的工件表面，再继续加热至 1000～1300℃，合金熔化后经冷凝生成涂层，使其和基体表面 达到良好结合的方法。 3、电火花表面强化 是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属 工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和 机械性能得到改善的工艺。它是直接利用电能的高能量密度对 工件表面进行强化的工艺方法。
常见失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效及材料老化失效。 (1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，使 机器设备无法正常工作或虽正常工作但达不到预期效果的现象。 (2)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。 （3)表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。 (4)材料老化失效-高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘 等现象，失去原有性能指标的现象，称高分子材料的老化。老化是高分子材料 不可避免的。
失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。
3/20
第二节 材料的表面处理技术简介
一、表面处理的意义 在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用下的零件，其表面层比 心部承受更高的应力。摩擦副或相对运动部位，在接触面上会受 到相配合零件或外来磨粒的擦伤、刻划甚至犁削等作用；金属 (或合金)在有腐蚀的环境中工作时，表面将受到介质的侵蚀作用。 因此，材料表面很容易受到各种类型的损伤。许多破坏往往是从 表面开始的，比如表面疲劳裂纹的扩展会导致整个零件破坏；不 均匀磨损或腐蚀造成的表面沟痕引起应力集中，成为断裂的起源。 因此，有必要对材料的表面进行特殊的强化或防护处理，以提 高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，防止或减轻表面损伤， 提高零件的可靠性和使用寿命。有时进行表面处理是为了提高零 件的装饰性。通过表面处理，在保持材料本体承载能力的前提下 提高表面抗失效能力，显然具有积极的经济意义。
8/20
五、常用表面防护性处理方法
1.氧化处理
(1)钢铁的氧化处理 钢铁的化学氧化是将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在 金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe304)的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色， 所以又称其为“发蓝”。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的 方法。膜厚在0.5-1.6μm。膜层具有很好的吸附性，发蓝后的零件再进行浸油 及其它填充处理，能进一步提高膜层的耐蚀性。发蓝膜薄，不影响零件的装配 尺寸；对表面光洁要求高或抛光的精密件，发蓝后表面既亮又黑，具有防护和 装饰的效果。这一工艺在精密仪器、光学仪器以及机械制造上广为应用。
第十章 机械零件的失效分析和表面处理
第一节 机械零件的失效分析 一、失效的概念
所谓失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能 等的变化而失去预定功能的现象。零部件的失效，会使机床失去加工精度、输 气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产安全，造成巨 大的经济损失。分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施 具有十分重要的意义。 二、失效形式
(4)安装使用不正确 在装配或安装的过程中，机械零件配合过松或过紧。 对中不良，固定太松或太紧等原因都会使机器在运转时产生附加应力和振动， 致使零件发生早期失效。
2/20
四、失效分析方法
造成机械零件失效的原因很多，零件在设计、选材、加工以及安装使用 四个方面的不当都可能导致零件的失效。
失效分析是研究失效的过程并进行分析，以求弄清失效的本质、产生的 原因以及提出预防的措施，以防止类似的问题重复发生。基本过程如下： （1）使用现场调查 了解使用环境和失效经过，记录使用寿命和损坏情况， 收集保存残体供分析。 （2）用材和成形制造工艺调查 复查化学成分和原材料质量，详细了解零 件的成形工艺，机械加工，热处理等工艺和操作过程。 （3）检测分析 外观分析、断口分析（包括确定裂纹源、断裂机制以及引 起断裂的原因）、显微分析（可以分为金相显微分析与电子显微分析两种方 法，目的是研究材料的显微组织结构与失效的关系 ）、力学性能测试等， 必要时进行无损探伤和断裂力学分析。
11/20
4.涂层装饰技术 在制品表面形成以有机物为主体的涂层，并干燥成膜的工艺， 称为涂装技术，这是一种简单而又经济可行的表面装饰方法， 在工业上通常简称为涂装。涂装的目的有三方面： ①保护作用。②装饰作用:使制品外观在视觉感受上成为美观 悦目的制品。 ③特殊作用。使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、阻尼、 杀菌、吸收雷达波、隔音、导电等特殊功能。特别是通过涂装 与其它表面处理技术相叠加的多重处理，可获得能适应相当苛 刻条件和使用环境的防护装饰涂层。 涂装所用的材料是各种涂料。它们一般由主要成膜物质、颜 料和溶剂混合加工而成。其中主要成膜物质是涂料中的主要组 分，大多数为各种合成树脂，其主要作用是将其它组分粘结成 一个整体，并能附着在被覆金属制品表面，形成坚韧的保护膜， 所以也称固着剂。由于有机溶剂涂料在使用时对环境有污染， 同时为了节省资源，现代涂料已从有机溶剂型向水性涂料、粉 末涂料、高固体组分涂料和反应性涂料转化，并向无有机溶剂 涂料过渡。