材料表面强化技术及应用(毕业设计)

前言作为古老又新颖的学科，表面强化技术为致力于改善材料表面化学性质、组织机构、应力状态的性质，在人们生活中被广泛应用。

通过掺杂、扩散、离子注入、化学沉积、电镀以及电子束等技术改变材料表面性质的研究，使得我们能得到更多表面性质优良的金属，使金属得到叫高的抗腐蚀、抗耐磨性，使工业生产设备及产品使用范围更广[1]。

这样，我们能得到更好的表面性质金属及非金属，节约了人类资源，保护和改善了我们的生活环境。

材料表面强化技术已经成为了现在制造业最伟大的创造。

追溯至春秋晚期，我国已应用铜器热镀锡和鎏金技术，从工业革命开始到最近50年，材料表面强化技术得到飞速发展。

本文吸取现代先进技术的优点，对表面技术的应用进行总结，取其精华，去其糟粕，进行综合陈述及比较。

虽然创新很少，但对现有技术的归纳比较在一定程度上更好的促进了表面技术的发展和研究。

本论文重点研究现有的表面强化技术以及这些技术的应用，意在归纳总结，学习传承。

使得我们能更好的学习和了解这些先进的表面技术，为我们以后的研发和应用做好铺垫。

表面强化技术是表面工程的一个分支，是工程科学技术中一个涉及学科广泛、活力很强、成果突出并与生产实践紧密结合的领域，它渗透到航空航天、信息技术、新材料技术以及先进制造技术等前沿技术的各个方面。

从高科技产品到人们日常生活都离不开材料表面强化技术。

离子束、激光束、电子束、微波及超高真空技术的开发，引起了表面工程技术研究和应用的热潮，并成为了世界最关键的技术之一[2]。

本文对材料表面强化技术及应用的研究进行了探讨。

1 表面强化技术概述1.1表面强化技术概述表面工程是一个既古老又新颖的学科，人们使用表面工程技术已有悠久的历史。

追溯到几千年前，我国早在春秋战国时期就已经开始应用钢的淬火、铜器热镀锡、鎏金及油漆等古老技术[3]。

但是，表面工程的迅速发展还是从19世纪工业革命开始，20世纪80年代成为世界上10大关键技术，进入20世纪90年代发展势头出现工程研究的热潮，几乎涉及了工业的各个领域，表面工程技术仍是将是主导21世纪的关键技术之一。

表面工程是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。

它是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。

1.2 表面技术的概念及意义表面工程指利用各种物理的、化学的或机械的工艺规程使零件表面获得特殊的材料成分、组织结构和性能，以提高产品质量的工程。

它概括了“表面处理”、“表面加工”、“表面涂层”、“表面改性”等内容。

表面强化技术是表面工程的核心内容，是决定硬化层的成分、组织结构和性能的关键技术[4]。

表面强化技术主要通过各种工艺来增强材料的表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和物理性能等综合机械性能。

应用各种表面强化技术可以充分发挥材料的潜力、节约能源川；制备特殊的表面强化层；提高经济效益。

20世纪60～70年代由于电子束、离子束和激光束进入工业领域，进入表面处理领域，各国开始进行开发性研究，使表面处理技术有突破性进展。

到90年代形成了新的系统的表面工程技术，出现了表面工程学，极大地推动了各行各业科学技术的进步，各行业的进步又加速了表面工程技术本身的发展。

分段2 表面形变强化工艺分类主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高强度硬化层，常见的强化工艺有喷丸、滚压和冷挤压强化。

表面形变强化方法简单，但对耐磨性影响比较小，因此得到广泛应用。

2.1表面机械强化表面机械强化主要分为滚压强化、喷丸强化、抛丸强化和内挤压强化。

其中主要以滚压和喷丸强化为主。

下面就这几种主要机械强化工艺的原理及应用进行简单介绍。

2.1.1喷丸强化喷丸强化是广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法, 它可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损和耐蚀点( 孔蚀) 能力, 具有操作简单、耗能少、效率高及适应面广等优点, 是金属材料表面改性的有效方法。

喷丸强化是利用大量高速运动的珠丸打击零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力[5]。

喷丸强化的效果与喷丸参数（丸子的速度和在零件上散布密度等）、零件材质和表面状态有关。

对于材料强度高、零件表面应力集中、表面粗糙或有表面缺陷的零件，喷丸强化都有显著的效果。

(1)喷丸强化工艺的工作原理喷丸强化是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺。

其工作原理是: 利用球形弹丸高速撞击金属工件表面, 使之产生屈服, 形成残余压缩应力层。

形成压缩应力层的目的是为了预防工件疲劳破坏, 把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力, 从而有效地控制裂纹的扩展。

(2)喷丸强化的发展状况1908年，美国制造出了激冷钢丸，金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速了发展，而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。

1929 年, 在美国由Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用在弹簧的表面强化，取得了良好的效果。

20世纪40年代，人们发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层, 可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。

到了60年代，此工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。

70年代后期，该工艺已被广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入80年代以后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发、塑料模具、工程机械、农业部门等方面推广应用，到了90年代，其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这种操作简单、效果显著的表面处理技术给予了极大的关注,开发了多种新工艺。

(3)喷丸强化的发展趋势伴随着现代工业的快速发展，对机械产品零件表面的性能要求越来越高，改善材料表面性能，延长零件使用寿命，节约资源，提高生产力以及减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战[6]。

作为表面工程技术分支的喷丸强化技术面对这些机遇和挑战，将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。

其主要研究方向是: 理论研究，即研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零部件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面( 变形层厚度、粗糙度等) 的影响，喷丸参数( 弹丸材质、硬度、直径等) 对喷丸强度的影响，喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合；加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.1.2滚压强化滚压强化工艺是一种无切削加工的工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度, 并且降低缺口敏感性。

(1)滚压强化原理利用特制的滚压工具，对零件表面施加一定压力，使零件表面层的金属发生塑性变形，从而提高表面的粗糙度和硬度，这种方法就叫滚压，又称无屑加工。

表面滚压特别适用于形状简单的大零件,尤其是尺寸突然变化的结构的应力集中处，如火车轴的轴径等。

表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。

滚轮滚压加工可以加工圆柱形或锥形的外表面和内表面以及曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽和台阶轴的过渡圆角。

滚压用的滚轮数目有1 、2 、3。

若刚度工件较小,则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件发生弯曲变形。

(2)滚压强化的发展状况滚压强化技术是在1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联将此技术应用于机车车轴轴颈。

1950年美国在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用于飞机制造及维修中。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ 型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具和滚珠式滚压工具。

通过滚压可以提高表面粗糙度2～4 级, 耐磨性比磨削后提高1.5～3 倍, 可以修正提高形状误差和表面粗糙度, 而且滚压过程操作方便、效率高、干净无污染。

其具有应用范围广泛，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面上。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工，滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果, 很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所的唐琦等人通过对370Q 型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验研究表明, 与未滚压曲轴相比较, 经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3% ,安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套,由原来的直槽改制成沉割槽,其破断力在原来基础上提高了35% 以上,技术指标得到显著增加,获得明显效果。

通过大量试验研究和实践表明, 影响到滚压质量的因素主要有以下几种:工件材料的性质，硬度、塑性、金相组织,硬度越低,塑性越高,则滚压效果越好；预加工的表面状况，表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构，特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量，滚压深度、进给量、滚压速度和滚压次数。

(3)滚压强化的发展趋势为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度,应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性, 提高其使用范围[7]。

一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力，达3000N 甚至更高，也不能消除车削留下来的刀痕。

目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30%～50% ,当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺。

2.1.3内挤压强化孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

由于其高的强化效果以及简单的操作方法，使其被广泛应用于工业生产中。

下面对孔挤压强化的原理及其发展状况进行分析讨论。

(1)内挤压强化原理孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压,形成塑性变形的硬化层。

塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，提高了材料疲劳强度和应力腐蚀能力。

(2)内挤压强化的发展状况由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单,被广泛使用于高强度钢,合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。