15601676782
下载贤集网APP入驻自媒体
界定
—— 表面形变强化工艺采用喷丸、挤压或滚压金属零件的表面，使其产生塑性变形。由此引起表层显微组织的变化，产生表层压应力。
—— 表面相变强化工艺：采用近代技术（如激光束、电子束等）对金属零件的表面进行激光表面淬火、电子束表面淬火、感应加热表面淬火、流态床表面硬化技术处理，以求其表面获得快速加热、快速冷却，让金属表面、亚表面形成新的相变区，形成表面强化区。
—— 离子注入利用真空电离化产生的离子，在高压电场作用下加速，直接注入材料表面，形成很薄的离子注入层，从而改变材料表面的组成和结构，改善材料表面的性能。
划分
表面强化（Sur strengthening）工艺分为表面形变强化、表面相变硬化、离子注入，属于表面改性转化技术分类。
其中，表面形变强化（Sur deformation strengthening）涵盖了喷丸强化（Shot peening），滚压强化（Rolling strengthening）， 内孔挤压强化（Inner hole extrusion strengthening）， 振动冲击强化（Vibration shock strengthening）， 金刚石碾压强化（Diamond rolling strengthening）。
表面相变硬化（Sur transformation hardening）涵盖了感应加热相变硬化（Induction hardening），激光表面相变硬化（Laser sur transformation hardening）。
离子注入（ion implantation）包括 传统束线离子注入，等离子体浸没离子注入（PIII），高频低压等离子体浸没离子注入（HL-PIII）。
工艺特点
—— 喷丸强化工艺具有适应性广、工艺简便、能耗低、成本低廉、强化效果高等优点。
激光喷丸强化和传统的机械喷丸强化相比，具有鲜明的特点:
（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸。
（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累积的形式多次喷丸，因此残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控。
（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸形成的大，其深度比机械喷丸形成的要深。
（4）激光喷丸使零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个微米。
（5）适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球磨铸铁、铝合金、钛合金及镍基高温合金等材料均适用。
—— 内孔挤压强化效率高、效果好、方法简便。
典型应用
—— 内孔挤压强化适用于凡能承受高压变载荷与应力腐蚀的连接孔、螺栓孔、铆钉孔等的飞机构件。例如：飞机主起落架活塞杆、机翼主梁螺栓孔、平尾大轴孔、发动机吊挂、襟翼滑轨、直升机翼旋接头、舱门接头等。
—— 感应加热相变硬化可用于零件的外圆表面、内圆表面、平面及特殊形状的零件，但必须设计相应形状的感应器。最常见的应用零件类型有：
1） 齿轮。如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等的大模数传动齿轮；
2） 轴类零件。如花键轴、汽车半轴、机床主轴、凸轮轴、镗杆、钻杆、岩心管及矫直辊等；
3） 工模具。如滚丝模、游标卡尺量爪面、剪刀刃、锉刀；
4） 其他机械零件。如大模数蜗杆、绞盘机主轴颈及轴套、蒸汽机车滑板和月牙板、起重机行走轮和弹子盘、汽车转向拉杆球头销、履带板等。
上述零件均采用高频或中频感应加热表面淬火。
—— 激光表面相变硬化：
1） 对工件的许多特殊部位，如槽壁、槽底小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要是激光光束能照射到的部位均可进行处理。
2） 还可进行大型零件局面表面的氧化及形状复杂零件的氧化处理。
3） 最适用于表面局部需要硬化的零件。美国已采用该技术取代渗碳、渗氮等化学热处理办法来处理飞机、导弹等重要零件。
—— 离子注入：
1） 在20世纪70年代用于元件掺杂取代热扩散工艺，已广泛用于半导体器件生产，使半导体的精细掺杂加工技术产生了突破性的进展。
2） 还可用于改善金属与合金材料的摩擦磨损特性，提高材料的抗氧化能力和耐蚀性；用于陶瓷、聚合物、绝缘体等的表面改性研究。
3） PIII技术使离子注入过程变得简单，能够对复杂形状的零件进行批量处理。
质量优势
—— 表面形变强化工艺能有效改善金属材料的抗疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性，改善和提高零件的使用可靠性和耐久性。
—— 表面相变强化工艺可提高材料抗疲劳断裂的能力和耐摩擦磨损的水平。
—— 离子注入已成为电子工业的重要制造技术，同时也是金属材料表面改性技术，是提高材料表面摩擦性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能的一种新兴技术手段。在改进陶瓷表面韧性与摩擦性方面也已显示出一定的能力。还可引起高分子聚合物的交联、降解、石墨化等，从而改善其强度或光学特性。
生产效率
—— 内孔挤压强化效率高、效果好、方法简便。
—— 激光表面相变硬化生产效率高，工艺过程易实现计算机控制或数控，自动化程度高；
—— 离子注入：等离子体淹没全方位离子注入机的研制成功，使离子注入工艺更趋简化，效率更高。
适用材料
—— 可采用喷丸强化处理的金属材料种类分为：
1） 非铁金属：铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金、钴基合金。
2） 铁基合金：铸钢、结构钢（包括超高强度钢）、弹簧钢、不锈钢（铁素体、马氏体以及奥氏体不锈钢），铁基高温合金。
3） 粉末材料：镍基粉末（颗粒度约70um）高温等静压合金。
4） 表面涂（渗）层材料：渗AI层、渗C层、渗N层、NiCrAlY涂层。
—— 激光喷丸适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金及镍基高温合金等材料均适用。
—— 内孔挤压强化适用于高强度钢、合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。具体说来：
（1）挤压棒挤压强化适用于大型零部件装配和维修；
（2）衬套挤压强化适用于各类零部件的装配和修理；
（3）压印膜挤压强化适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；
（4）旋压挤压强化适用于起落架大直径管件和孔。
—— 感应加热相变硬化最常用的是中、高碳钢及其合金钢和合金铸铁、可锻铸铁、球磨铸铁和灰口铸铁等。
—— 激光表面相变硬化的适用材料主要是钢铁材料和铸铁材料，以及一些有色金属如钛合金、铝合金、铜合金、镁合金、锆合金等。
—— 离子注入能够对复杂形状的零件进行批量处理，已广泛应用于金属、半导体、聚合物等多种材料的表面处理。由于离子注入膜层非常薄（150mm左右），主要用于精密元件、匹配组合件。不宜用于普通零件，尤其是大型零件和组合件。
设计考虑因素
大部分的强化工艺对被强化零件的几何形状均有一定的要求，或者说其应用范围受到零件的几何形状的一定限制。
—— 喷丸强化、振动冲击强化等对零件被强化的表面几乎没有粗糙度的要求。
喷丸强化工艺参数有：弹丸种类、尺寸，喷丸强度，表面覆盖率。
1、根据被强化零件的材料、表面粗糙度以及喷丸强度等来选择弹丸种类：
（1）黑色金属零件可使用任何一种弹丸；
（2）有色金属（铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍基合金等）最好使用不锈钢丸；
（3）对表面粗糙度要求高的零件，应选用尺寸较小的弹丸；
（4）玻璃丸和陶瓷丸适合于任何材料的表面强化；
（5）当需对零件上的圆角、沟槽等部位强化时，所选用弹丸的尺寸应满足以下要求：
① 弹丸尺寸应小于喷丸区内最小圆角半径的1/2；
② 弹丸尺寸应小于键槽宽度的1/4；
③ 当弹丸必须通过槽缝强化下方的表面时，其尺寸应小于槽缝宽度的1/4。
2、弧高度试片。弧高度试片或称阿尔门（Almen）试片是用来综合度量喷丸强化工艺参数的一种专用量规，共有三种规格：N、A、C试片。一般情况下使用A试片；当用A试片测出的喷丸强度低于0.1A·mm时，应换用N试片；当用A试片测出的喷丸强度高于0.6A·mm时，则应换用C试片。
3、弧高度。当球面与基准面相交而得出轨迹圆的直径为36mm时，由此基准面至球面最高点的间距定义为弧高度。
4、弧高度曲线。弧高度值随喷丸时间（或喷丸次数）变化，在弧高度值—时间坐标图上用该组数据绘制出的曲线，称为弧高度曲线。
5、喷丸强度。任何一组特定工艺参数下的弧高度曲线都存在一个饱和点（或准饱和点），满足上述条件时饱和点处的弧高度值定义为该组工艺参数的喷丸强度。一组特定工艺参数下的弧高度曲线上只有一个喷丸强度。
6、表面覆盖率。零件受喷表面上弹坑占据的面积与受喷表面积的比值，称为表面覆盖率，通常以百分数表示。在达到图纸规定的喷丸强度，当零件的硬度等于或低于试片的硬度时，该零件的覆盖率能够达到或超过100%；当零件的硬度高于试片的硬度时，则零件的覆盖率低于100%。
—— 激光喷丸的关键工艺参数有：脉冲宽度；脉冲能量；光束模式；光斑的尺寸大小；板料的力学性能；约束层的刚性；吸收层的厚度等。
—— 滚压强化、内孔挤压强化和金刚石碾压强化工艺，则对零件被强化的表面粗糙度有较高的要求。
—— 内孔挤压强化工艺参数选择既要达到强化效果，又要满足设计尺寸和表面粗糙度的要求。要求被挤压孔的形状可以是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔、埋头窝孔和开口孔等。孔中心距应当大于3倍的孔直径，孔边距应大于2倍的孔直径，否则会产生变形。若孔边距和中心距小于上述规范，应降低过盈量。
离子注入：无论是传统束线离子注入还是等离子体浸没离子注入（PIII）技术，注入深度均较浅，一般小于150nm。
环境影响
—— 金属表面形变强化后需进行清洗，以去除沾在表面上的铁粉，防止随后引起电化学腐蚀。
—— 激光表面相变硬化是精密的节能热处理技术，可实现自冷淬火，不需要油或水等淬火介质，避免了环境污染。
