會計學1機械零件的失效分析和表面處理解析會計學1機械零件的失效分析和表面處理解析

三、失效的原因造成機械零件失效的原因很多，零件在設計選材加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。

(1)設計不合理零件設計不當而導致失效的主要表現在兩個方面：一是零件的結構、尺寸設計不合理或結構工藝性差，例如過渡圓角太小、存在尖角、孔槽位置不當等都會造成較大的應力集中；二是設計時錯誤地估計了零件的工作條件，例如對零件承載能力設計得不夠，或是忽略、低估了溫度、介質等因素的影響，致使零件早期失效。近年來，由于設計不合理而導致零件失效情況已隨著應力分析水平等的提高而大大減少。

(2)選材不合理選材時首先應滿足零件的使用性能要求，保證零件正常工作和有足夠抵抗破壞的能力。往往一個零件需要同時滿足幾個方面的性能要求，這就要求以最關鍵的性能作為選材的主要依據。

(3)加工工藝不當零件在制造過程中，要經過一系列冷、熱加工工序：任何不正確的加工工藝都可能造成缺陷，如冷加工時零件表面有較深的刀痕；熱加工時零件內部存在裂紋、晶粒粗大等，這些都是造成零件失效的原因。

(4)安裝使用不正確在裝配或安裝的過程中，機械零件配合過松或過緊。對中不良，固定太松或太緊等原因都會使機器在運轉時產生附加應力和振動，致使零件發(fā)生早期失效。第1頁/共20頁三、失效的原因第1頁/共20頁四、失效分析方法

造成機械零件失效的原因很多，零件在設計、選材、加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。失效分析是研究失效的過程并進行分析，以求弄清失效的本質、產生的原因以及提出預防的措施，以防止類似的問題重復發(fā)生?；具^程如下：（1）使用現場調查了解使用環(huán)境和失效經過，記錄使用壽命和損壞情況，收集保存殘體供分析。（2）用材和成形制造工藝調查復查化學成分和原材料質量，詳細了解零件的成形工藝，機械加工，熱處理等工藝和操作過程。（3）檢測分析外觀分析、斷口分析（包括確定裂紋源、斷裂機制以及引起斷裂的原因）、顯微分析（可以分為金相顯微分析與電子顯微分析兩種方法，目的是研究材料的顯微組織結構與失效的關系）、力學性能測試等，必要時進行無損探傷和斷裂力學分析。失效分析的結果對零件的設計、選材、加工以及使用具有一定的指導意義。第2頁/共20頁四、失效分析方法造成機械零件失效的原因很多，零件在第二節(jié)材料的表面處理技術簡介

一、表面處理的意義在扭轉、彎曲、沖擊、疲勞等負荷作用下的零件，其表面層比心部承受更高的應力。摩擦副或相對運動部位，在接觸面上會受到相配合零件或外來磨粒的擦傷、刻劃甚至犁削等作用；金屬(或合金)在有腐蝕的環(huán)境中工作時，表面將受到介質的侵蝕作用。因此，材料表面很容易受到各種類型的損傷。許多破壞往往是從表面開始的，比如表面疲勞裂紋的擴展會導致整個零件破壞；不均勻磨損或腐蝕造成的表面溝痕引起應力集中，成為斷裂的起源。因此，有必要對材料的表面進行特殊的強化或防護處理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，防止或減輕表面損傷，提高零件的可靠性和使用壽命。有時進行表面處理是為了提高零件的裝飾性。通過表面處理，在保持材料本體承載能力的前提下提高表面抗失效能力，顯然具有積極的經濟意義。第3頁/共20頁第二節(jié)材料的表面處理技術簡介一、表面處理的意義第3

二、表面處理方法與分類表面處理方法有很多，主要分為兩大類：表面強化處理和表面防護處理。常用的表面處理工藝方法有：表面熱處理【包括表面淬火(含激光表面熱處理)與化學熱處理】、氣相沉積（包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積）、熱噴涂、堆焊與噴焊、噴丸、滾壓、氧化處理、磷化、電鍍、化學鍍、熱浸鍍、搪瓷、涂料與涂裝等等。各種新方法也還在不斷出現。

三、表面預處理材料在進行表面處理前，一般需要經過預處理，包括除油、除銹、粗化、活化和拋光。表面預處理的目的是：預先制備清潔的表面，以便后續(xù)表面處理工序的進行、或保證覆蓋層與材料基體有牢固的結合強度。對許多表面處理工藝而言，如氣相沉積、熱噴涂、電鍍等表面預處理質量的好壞，在很大程度上決定著表面處理工藝的成敗。第4頁/共20頁二、表面處理方法與分類第4頁/共20頁

四、常用表面強化處理技術方法常用表面強化處理方法有：表面淬火（工業(yè)上廣泛應用的有火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火和激光加熱表面淬火），化學熱處理，氣相沉積（包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積），熱噴涂，堆焊與噴焊，電火花表面強化等。其中，表面淬火、化學熱處理和氣相沉積已經在第四章第七節(jié)鋼的表面熱處理和熱處理新工藝簡介中作了介紹，這里不再重復討論。

1.熱噴涂它是采用氣體、液體、燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復合材料等噴涂材料，加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。若將噴涂層再加熱重熔，則產生冶金結合。這種方法稱為熱噴涂方法。根據需要選用不同的涂層材料，可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等方面的一種或數種性能。第5頁/共20頁四、常用表面強化處理技術方法第5頁/共20頁2.堆焊和噴焊

(1)堆焊用傳統的電焊方法，將合金絲或焊條熔化堆結在工件表面形成冶金結合層的方法。如用氣焊、焊條電弧焊及氬弧焊等各種電弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，達到修復或改善工件表面性能的目的。

(2)噴焊是采用氣體火焰或等離子焰將自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速噴射到經預熱的工件表面，再繼續(xù)加熱至1000～1300℃，合金熔化后經冷凝生成涂層，使其和基體表面達到良好結合的方法。

3、電火花表面強化是通過火花放電的作用，把作為電極的導電材料熔滲進金屬工件的表層，形成合金化的表面強化層，使工件的物理化學和機械性能得到改善的工藝。它是直接利用電能的高能量密度對工件表面進行強化的工藝方法。第6頁/共20頁2.堆焊和噴焊第6頁/共20頁4.激光束表面合金化激光熱處理的基本原理激光是二十世紀60年代出現的重大科學技術成就之一，70年代開始應用于金屬熱處理。激光是由激光器產生的，金屬熱處理大多使用CO2激光器。激光束具有以下特性：①高方向性。光束的發(fā)散角可小于一個到幾個毫弧度，基本上是平行的。②高亮度性。光束非常強，并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。③高單色性。頻率范圍非常窄，有很好的相干性。當激光束照射到金屬表面時，其能量幾乎全被表面層吸收轉變成熱，可在極短時間內將工件表層加熱或熔化，而工件心部仍保持室溫。當激光束離去后，通過向工件心部的傳熱，表層可獲得極大的冷卻速度，從而實現“自冷卻”淬火或快速凝固。因此，可用激光束對鋼鐵零件進行表面淬火和表面合金化。

第7頁/共20頁4.激光束表面合金化第7頁/共20

五、常用表面防護性處理方法

1.氧化處理

(1)鋼鐵的氧化處理鋼鐵的化學氧化是將鋼鐵零件浸在濃堿溶液中煮沸，在金屬表面生成穩(wěn)定的四氧化三鐵(Fe304)的過程。因四氧化三鐵氧化膜呈藍黑色，所以又稱其為“發(fā)藍”。發(fā)藍是提高黑色金屬防護能力的一種簡便而又經濟的方法。膜厚在0.5-1.6μm。膜層具有很好的吸附性，發(fā)藍后的零件再進行浸油及其它填充處理，能進一步提高膜層的耐蝕性。發(fā)藍膜薄，不影響零件的裝配尺寸；對表面光潔要求高或拋光的精密件，發(fā)藍后表面既亮又黑，具有防護和裝飾的效果。這一工藝在精密儀器、光學儀器以及機械制造上廣為應用。

(2)鋁及鋁合金的氧化處理主要有化學氧化和電化學氧化-陽極氧化。

1）鋁及鋁合金的化學氧化是把工件置入適當溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是將鋁件浸在含有堿溶液和堿金屬的鉻酸鹽溶液中，鋁和溶液互相作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大約0.5-4μm。這種氧化膜具有較高的吸附能力，—般工業(yè)上作為表面涂裝的底層，經化學氧化后再涂裝，可以大大提高鋁及鋁合金外觀裝飾件的抗蝕能力，使涂料的保持性增強。鋁及鋁合金化學氧化的優(yōu)點主要是生產效率高、成本低、不消耗電能，不需專門設備，適于大批量生產。因此，化學氧化法在面飾中大量采用。

2）鋁及鋁合金的電化學氧化鋁及鋁合金零件在電解液中進行電化學氧化，其工藝象電鍍的逆過程，因零件作為陽極，故也稱鋁陽極氧化。第8頁/共20頁五、常用表面防護性處理方法第8頁/共20頁2．鋼鐵的磷化處理鋼鐵的磷化處理是將零件浸入磷酸鹽溶液中進行化學處理，在金屬表面生成難溶于水的磷酸鹽膜的過程。簡稱“磷化”。磷化也是金屬氧化方法之一，因此磷酸鹽膜也是一種化學轉化膜。磷化是鋼鐵表面防護的常用方法之一，應用愈來愈廣泛。有色金屬如鋅、鋁、銅、錫等都可以進行磷化處理。磷化溶液品種甚多，按磷化溫度，可分為高溫磷化(85-98℃)、中溫磷化(50-70℃)、低溫磷化(＜35℃)；按磷化溶液成分，可分為鋅系、錳系、鋅鈣系等。但應用較多的是鋅系的磷酸二氫鋅和錳系的磷酸錳鐵制劑等。磷酸鹽膜的厚度可由3-20μm，甚至更厚。膜與基體金屬有較好的結合，膜的性能較好。對大氣相在有機油類、苯、甲苯及各種氣體燃料中有很好的耐蝕性；對潤滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金屬、不影響零件的焊接性能；磷酸鹽膜是高電阻膜層，有很好的電絕緣性。磷酸鹽膜的顏色由暗灰到黑色，隨基體合金成分及磷酸鹽處理工藝的不同，可以呈不同的顏色。磷酸鹽是一種無機鹽膜，其不足在于膜本身機械強度不高，有一定脆性。磷酸鹽處理過程伴隨著氫的析出、對氫脆敏感的材料，應考慮氫脆問題，特別是對高強鋼。一般對受力較小的低碳或中碳鋼不會造成危害。第9頁/共20頁2．鋼鐵的磷化處理第9頁/共20頁3．電鍍和化學鍍鍍層裝飾技術能在制品表面形成具有金屬特性的鍍層，這是一種較典型的表面裝飾技術。金屬鍍層不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增強制品表面的色彩、光澤和肌理的裝飾效果，因此能保護和美化表面，由于有優(yōu)異的鍍層，常常使制品的品位和檔次得到提高。按鍍層的表面狀態(tài)可分成鏡面鍍層和粗面鍍層兩類。按鍍層裝飾技術可分為電鍍、化學鍍、真空蒸發(fā)沉積鍍、氣相鍍等。鍍層裝飾的金屬有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。

電鍍：是將金屬工件浸入要鍍金屬鹽溶液中并作為陰極，通以直流電，在直流電場作用下，金屬鹽溶液中的陽離子在工件表面上沉積形成電鍍層。

化學鍍：是一種在無外加電流的情況下,利用還原劑在具有催化活性的表面進行氧化還原反應而沉積出鍍層的方法。溶液中一般含有主鹽，提供形成鍍層的主要成分；還原劑，還原主鹽中的離子；絡合劑，拓寬鍍液工作的pH值范圍,提高沉積速度,改善鍍層光潔致密性,防止鍍液中沉淀的析出,增加其穩(wěn)定性并延長使用壽命；穩(wěn)定劑，抑制鍍液自發(fā)分解；緩沖劑。第10頁/共20頁3．電鍍和化學鍍第10頁/共20頁4.涂層裝飾技術在制品表面形成以有機物為主體的涂層，并干燥成膜的工藝，稱為涂裝技術，這是一種簡單而又經濟可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。涂裝的目的有三方面：①保護作用。②裝飾作用:使制品外觀在視覺感受上成為美觀悅目的制品。③特殊作用。使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、阻尼、殺菌、吸收雷達波、隔音、導電等特殊功能。特別是通過涂裝與其它表面處理技術相疊加的多重處理，可獲得能適應相當苛刻條件和使用環(huán)境的防護裝飾涂層。涂裝所用的材料是各種涂料。它們一般由主要成膜物質、顏料和溶劑混合加工而成。其中主要成膜物質是涂料中的主要組分，大多數為各種合成樹脂，其主要作用是將其它組分粘結成一個整體，并能附著在被覆金屬制品表面，形成堅韌的保護膜，所以也稱固著劑。由于有機溶劑涂料在使用時對環(huán)境有污染，同時為了節(jié)省資源，現代涂料已從有機溶劑型向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反應性涂料轉化，并向無有機溶劑涂料過渡。第11頁/共20頁4.涂層裝飾技術第11頁/共20頁第十一章機械零件的選材

機械零件的設計包括零件結構設計、材料選擇和工藝設計三個方面。在許多情況下，選材或用材不當是造成零件失效的重要原因之一。因此，了解選材的思路，掌握合理選材的原則，在掌握各種工程材料性能的基礎上，正確、合理地選擇和使用材料是從事機械設計與制造的工程技術人員的一項重要任務，具有很重要的實際意義。第12頁/共20頁第十一章機械零件的選材機械零件的設計包

遵循三條基本原則：

使用性能足夠,

工藝性能良好,

經濟性合理。第一節(jié)選材的基本原則第13頁/共20頁第一節(jié)選材的基本原則第13頁/共20頁

使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使用性能是指零件在工作過程中應具備的力學性能、物理性能和化學性能，它是選材的最主要依據，對于機械零件，最重要的使用性能是力學性能。對零件力學性能的要求，一般是在分析零件的工作條件(溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質等)和失效形式的基礎上提出來的。根據使用性能選材的步驟如下：

1.分析零件的工作條件，確定使用性能零件的工作條件是復雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)(拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)、載荷性質(靜載、動載、交變載荷)、載荷大小及分布、工作溫度(低溫、室溫、高溫、變溫)、環(huán)境介質(潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等)、對零件的特殊性能要求(電、磁、熱)等。在對工作條件進行全面分析的基礎上確定零件的使用性能。

2.分析零部件的失效原因，確定主要使用性能。對零件使用性能的要求，往往是多項的。例如傳動軸，要求其具有高的疲勞強度、韌性和軸頸的耐磨性。因此，需要通過對零部件失效原因的分析，找出導致失效的主導因素，準確確定出零件所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析表明，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應以疲勞抗力作為主要使用性能要求來進行曲軸的設計。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價格便宜、工藝簡單的球墨鑄鐵。表11-1列出了幾種常見零件的工作條件、失效形式及對性能的要求。一、使用性能足夠的原則第14頁/共20頁使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使

3.將對零件的使用性能要求轉化為對材料性能指標的要求有了對零件使用性能的要求，還不能馬上進行選材，還需要通過分析、計算或模擬試驗將使用性能要求指標化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉化為“﹥60HRC”或“62-65HRC”等。這是選材最關鍵、最困難的一步。需根據零部件的尺寸及工作時所承受的載荷，計算出應力分布，再由工作應力、使用壽命或安全性與材料性能指標的關系,確定性能指標的具體數值。

4.材料的預選根據對零件材料性能指標數據的要求查閱有關手冊，找到合適的材料，根據這些材料的大致應用范圍進行判斷、選材。對用預選材料設計的零件，其危險截面在考慮安全系數后的工作應力，必須小于所確定的性能指標數據值。然后再比較加工工藝的可行性和制造成本的高低，以最優(yōu)方案的材料作為所選定的材料。第15頁/共20頁3.將對零件的使用性能要

二、工藝性能良好原則

材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。在滿足使用性能選材的同時，必須兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零件的質量、生產效率和成本。工藝性能對大批量生產的零件尤為重要，因為在大批量生產時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產的關鍵。金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能概括介紹如下：

1.金屬材料的工藝性能：加工工藝路線復雜，要求的工藝性能比較多，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。

鑄造性能最好的是共晶成分附近的合金，鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。

鍛造性能最好的是低碳鋼，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。形變鋁合合和銅合金的鍛造性較好，而鑄鐵、鑄造鋁合金不能進行冷熱壓力加工。焊接性能低碳鋼最好，隨碳和合金元素含量增加，焊接性能下降，鑄鐵則很難焊接，鋁合金和銅合金的焊接性比碳鋼差。

熱處理工藝性能包括淬透性、淬火變形開裂及氧化、脫碳傾向等。鋼的含碳量越高，其淬火變形和開裂傾向越大。選用滲碳鋼時，要注意鋼的過熱敏感性；選用調質鋼時，要注意鋼的第二類回火脆性；選用彈簧鋼時，要注意鋼的氧化、脫碳傾向。第16頁/共20頁二、工藝性能良好原則第16頁/共20

2.高分子材料的工藝性能高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同，但由于高分子材料的導熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。

3.陶瓷材料的工藝性能陶瓷材料的加工工藝路線為：備料→成形加工(配料、壓制、燒結)→磨加工→裝配。陶瓷材料的加工工藝也比較簡單，主要工藝是成形。按零件的形狀、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法(注漿、熱壓、擠壓、可塑)。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金剛石砂輪進行磨加工外，幾乎不能進行任何切削加工。第17頁/共20頁2.高分子材料的工藝性能第17頁/共20頁

三、經濟性合理原則

選材的經濟性原則是在滿足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零件的總成本，包括材料的價格、加工費、試驗研究費、維修管理費等達到最低，以取得最大的經濟效益。為此，材料選用應充分利用資源優(yōu)勢，盡可能采用標準化、通用化的材料，以降低原材料成本、減少運輸、實驗研究費用。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不應選用合金鋼。在滿足使用要求的條件下，可以以鐵代鋼，以鑄代鍛、以焊代鍛，有效地降低材料成本、簡化加工工藝。例如用球墨鑄鐵代替鍛鋼制造中低速柴油機曲軸、銑床主軸，其經濟效益非常顯著。對于要求表面性能高的零件，可選用低廉鋼種進行表面強化處理來達到要求。第18頁/共20頁三、經濟性合理原則第18頁/共20練習題：

10-1、2。

11-5。第19頁/共20頁練習題：第19頁/共20頁會計學21機械零件的失效分析和表面處理解析會計學1機械零件的失效分析和表面處理解析

三、失效的原因造成機械零件失效的原因很多，零件在設計選材加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。

(1)設計不合理零件設計不當而導致失效的主要表現在兩個方面：一是零件的結構、尺寸設計不合理或結構工藝性差，例如過渡圓角太小、存在尖角、孔槽位置不當等都會造成較大的應力集中；二是設計時錯誤地估計了零件的工作條件，例如對零件承載能力設計得不夠，或是忽略、低估了溫度、介質等因素的影響，致使零件早期失效。近年來，由于設計不合理而導致零件失效情況已隨著應力分析水平等的提高而大大減少。

(2)選材不合理選材時首先應滿足零件的使用性能要求，保證零件正常工作和有足夠抵抗破壞的能力。往往一個零件需要同時滿足幾個方面的性能要求，這就要求以最關鍵的性能作為選材的主要依據。

(3)加工工藝不當零件在制造過程中，要經過一系列冷、熱加工工序：任何不正確的加工工藝都可能造成缺陷，如冷加工時零件表面有較深的刀痕；熱加工時零件內部存在裂紋、晶粒粗大等，這些都是造成零件失效的原因。

(4)安裝使用不正確在裝配或安裝的過程中，機械零件配合過松或過緊。對中不良，固定太松或太緊等原因都會使機器在運轉時產生附加應力和振動，致使零件發(fā)生早期失效。第1頁/共20頁三、失效的原因第1頁/共20頁四、失效分析方法

造成機械零件失效的原因很多，零件在設計、選材、加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。失效分析是研究失效的過程并進行分析，以求弄清失效的本質、產生的原因以及提出預防的措施，以防止類似的問題重復發(fā)生。基本過程如下：（1）使用現場調查了解使用環(huán)境和失效經過，記錄使用壽命和損壞情況，收集保存殘體供分析。（2）用材和成形制造工藝調查復查化學成分和原材料質量，詳細了解零件的成形工藝，機械加工，熱處理等工藝和操作過程。（3）檢測分析外觀分析、斷口分析（包括確定裂紋源、斷裂機制以及引起斷裂的原因）、顯微分析（可以分為金相顯微分析與電子顯微分析兩種方法，目的是研究材料的顯微組織結構與失效的關系）、力學性能測試等，必要時進行無損探傷和斷裂力學分析。失效分析的結果對零件的設計、選材、加工以及使用具有一定的指導意義。第2頁/共20頁四、失效分析方法造成機械零件失效的原因很多，零件在第二節(jié)材料的表面處理技術簡介

一、表面處理的意義在扭轉、彎曲、沖擊、疲勞等負荷作用下的零件，其表面層比心部承受更高的應力。摩擦副或相對運動部位，在接觸面上會受到相配合零件或外來磨粒的擦傷、刻劃甚至犁削等作用；金屬(或合金)在有腐蝕的環(huán)境中工作時，表面將受到介質的侵蝕作用。因此，材料表面很容易受到各種類型的損傷。許多破壞往往是從表面開始的，比如表面疲勞裂紋的擴展會導致整個零件破壞；不均勻磨損或腐蝕造成的表面溝痕引起應力集中，成為斷裂的起源。因此，有必要對材料的表面進行特殊的強化或防護處理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，防止或減輕表面損傷，提高零件的可靠性和使用壽命。有時進行表面處理是為了提高零件的裝飾性。通過表面處理，在保持材料本體承載能力的前提下提高表面抗失效能力，顯然具有積極的經濟意義。第3頁/共20頁第二節(jié)材料的表面處理技術簡介一、表面處理的意義第3

二、表面處理方法與分類表面處理方法有很多，主要分為兩大類：表面強化處理和表面防護處理。常用的表面處理工藝方法有：表面熱處理【包括表面淬火(含激光表面熱處理)與化學熱處理】、氣相沉積（包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積）、熱噴涂、堆焊與噴焊、噴丸、滾壓、氧化處理、磷化、電鍍、化學鍍、熱浸鍍、搪瓷、涂料與涂裝等等。各種新方法也還在不斷出現。

三、表面預處理材料在進行表面處理前，一般需要經過預處理，包括除油、除銹、粗化、活化和拋光。表面預處理的目的是：預先制備清潔的表面，以便后續(xù)表面處理工序的進行、或保證覆蓋層與材料基體有牢固的結合強度。對許多表面處理工藝而言，如氣相沉積、熱噴涂、電鍍等表面預處理質量的好壞，在很大程度上決定著表面處理工藝的成敗。第4頁/共20頁二、表面處理方法與分類第4頁/共20頁

四、常用表面強化處理技術方法常用表面強化處理方法有：表面淬火（工業(yè)上廣泛應用的有火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火和激光加熱表面淬火），化學熱處理，氣相沉積（包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積），熱噴涂，堆焊與噴焊，電火花表面強化等。其中，表面淬火、化學熱處理和氣相沉積已經在第四章第七節(jié)鋼的表面熱處理和熱處理新工藝簡介中作了介紹，這里不再重復討論。

1.熱噴涂它是采用氣體、液體、燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復合材料等噴涂材料，加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。若將噴涂層再加熱重熔，則產生冶金結合。這種方法稱為熱噴涂方法。根據需要選用不同的涂層材料，可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等方面的一種或數種性能。第5頁/共20頁四、常用表面強化處理技術方法第5頁/共20頁2.堆焊和噴焊

(1)堆焊用傳統的電焊方法，將合金絲或焊條熔化堆結在工件表面形成冶金結合層的方法。如用氣焊、焊條電弧焊及氬弧焊等各種電弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，達到修復或改善工件表面性能的目的。

(2)噴焊是采用氣體火焰或等離子焰將自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速噴射到經預熱的工件表面，再繼續(xù)加熱至1000～1300℃，合金熔化后經冷凝生成涂層，使其和基體表面達到良好結合的方法。

3、電火花表面強化是通過火花放電的作用，把作為電極的導電材料熔滲進金屬工件的表層，形成合金化的表面強化層，使工件的物理化學和機械性能得到改善的工藝。它是直接利用電能的高能量密度對工件表面進行強化的工藝方法。第6頁/共20頁2.堆焊和噴焊第6頁/共20頁4.激光束表面合金化激光熱處理的基本原理激光是二十世紀60年代出現的重大科學技術成就之一，70年代開始應用于金屬熱處理。激光是由激光器產生的，金屬熱處理大多使用CO2激光器。激光束具有以下特性：①高方向性。光束的發(fā)散角可小于一個到幾個毫弧度，基本上是平行的。②高亮度性。光束非常強，并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。③高單色性。頻率范圍非常窄，有很好的相干性。當激光束照射到金屬表面時，其能量幾乎全被表面層吸收轉變成熱，可在極短時間內將工件表層加熱或熔化，而工件心部仍保持室溫。當激光束離去后，通過向工件心部的傳熱，表層可獲得極大的冷卻速度，從而實現“自冷卻”淬火或快速凝固。因此，可用激光束對鋼鐵零件進行表面淬火和表面合金化。

第7頁/共20頁4.激光束表面合金化第7頁/共20

五、常用表面防護性處理方法

1.氧化處理

(1)鋼鐵的氧化處理鋼鐵的化學氧化是將鋼鐵零件浸在濃堿溶液中煮沸，在金屬表面生成穩(wěn)定的四氧化三鐵(Fe304)的過程。因四氧化三鐵氧化膜呈藍黑色，所以又稱其為“發(fā)藍”。發(fā)藍是提高黑色金屬防護能力的一種簡便而又經濟的方法。膜厚在0.5-1.6μm。膜層具有很好的吸附性，發(fā)藍后的零件再進行浸油及其它填充處理，能進一步提高膜層的耐蝕性。發(fā)藍膜薄，不影響零件的裝配尺寸；對表面光潔要求高或拋光的精密件，發(fā)藍后表面既亮又黑，具有防護和裝飾的效果。這一工藝在精密儀器、光學儀器以及機械制造上廣為應用。

(2)鋁及鋁合金的氧化處理主要有化學氧化和電化學氧化-陽極氧化。

1）鋁及鋁合金的化學氧化是把工件置入適當溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是將鋁件浸在含有堿溶液和堿金屬的鉻酸鹽溶液中，鋁和溶液互相作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大約0.5-4μm。這種氧化膜具有較高的吸附能力，—般工業(yè)上作為表面涂裝的底層，經化學氧化后再涂裝，可以大大提高鋁及鋁合金外觀裝飾件的抗蝕能力，使涂料的保持性增強。鋁及鋁合金化學氧化的優(yōu)點主要是生產效率高、成本低、不消耗電能，不需專門設備，適于大批量生產。因此，化學氧化法在面飾中大量采用。

2）鋁及鋁合金的電化學氧化鋁及鋁合金零件在電解液中進行電化學氧化，其工藝象電鍍的逆過程，因零件作為陽極，故也稱鋁陽極氧化。第8頁/共20頁五、常用表面防護性處理方法第8頁/共20頁2．鋼鐵的磷化處理鋼鐵的磷化處理是將零件浸入磷酸鹽溶液中進行化學處理，在金屬表面生成難溶于水的磷酸鹽膜的過程。簡稱“磷化”。磷化也是金屬氧化方法之一，因此磷酸鹽膜也是一種化學轉化膜。磷化是鋼鐵表面防護的常用方法之一，應用愈來愈廣泛。有色金屬如鋅、鋁、銅、錫等都可以進行磷化處理。磷化溶液品種甚多，按磷化溫度，可分為高溫磷化(85-98℃)、中溫磷化(50-70℃)、低溫磷化(＜35℃)；按磷化溶液成分，可分為鋅系、錳系、鋅鈣系等。但應用較多的是鋅系的磷酸二氫鋅和錳系的磷酸錳鐵制劑等。磷酸鹽膜的厚度可由3-20μm，甚至更厚。膜與基體金屬有較好的結合，膜的性能較好。對大氣相在有機油類、苯、甲苯及各種氣體燃料中有很好的耐蝕性；對潤滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金屬、不影響零件的焊接性能；磷酸鹽膜是高電阻膜層，有很好的電絕緣性。磷酸鹽膜的顏色由暗灰到黑色，隨基體合金成分及磷酸鹽處理工藝的不同，可以呈不同的顏色。磷酸鹽是一種無機鹽膜，其不足在于膜本身機械強度不高，有一定脆性。磷酸鹽處理過程伴隨著氫的析出、對氫脆敏感的材料，應考慮氫脆問題，特別是對高強鋼。一般對受力較小的低碳或中碳鋼不會造成危害。第9頁/共20頁2．鋼鐵的磷化處理第9頁/共20頁3．電鍍和化學鍍鍍層裝飾技術能在制品表面形成具有金屬特性的鍍層，這是一種較典型的表面裝飾技術。金屬鍍層不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增強制品表面的色彩、光澤和肌理的裝飾效果，因此能保護和美化表面，由于有優(yōu)異的鍍層，常常使制品的品位和檔次得到提高。按鍍層的表面狀態(tài)可分成鏡面鍍層和粗面鍍層兩類。按鍍層裝飾技術可分為電鍍、化學鍍、真空蒸發(fā)沉積鍍、氣相鍍等。鍍層裝飾的金屬有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。

電鍍：是將金屬工件浸入要鍍金屬鹽溶液中并作為陰極，通以直流電，在直流電場作用下，金屬鹽溶液中的陽離子在工件表面上沉積形成電鍍層。

化學鍍：是一種在無外加電流的情況下,利用還原劑在具有催化活性的表面進行氧化還原反應而沉積出鍍層的方法。溶液中一般含有主鹽，提供形成鍍層的主要成分；還原劑，還原主鹽中的離子；絡合劑，拓寬鍍液工作的pH值范圍,提高沉積速度,改善鍍層光潔致密性,防止鍍液中沉淀的析出,增加其穩(wěn)定性并延長使用壽命；穩(wěn)定劑，抑制鍍液自發(fā)分解；緩沖劑。第10頁/共20頁3．電鍍和化學鍍第10頁/共20頁4.涂層裝飾技術在制品表面形成以有機物為主體的涂層，并干燥成膜的工藝，稱為涂裝技術，這是一種簡單而又經濟可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。涂裝的目的有三方面：①保護作用。②裝飾作用:使制品外觀在視覺感受上成為美觀悅目的制品。③特殊作用。使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、阻尼、殺菌、吸收雷達波、隔音、導電等特殊功能。特別是通過涂裝與其它表面處理技術相疊加的多重處理，可獲得能適應相當苛刻條件和使用環(huán)境的防護裝飾涂層。涂裝所用的材料是各種涂料。它們一般由主要成膜物質、顏料和溶劑混合加工而成。其中主要成膜物質是涂料中的主要組分，大多數為各種合成樹脂，其主要作用是將其它組分粘結成一個整體，并能附著在被覆金屬制品表面，形成堅韌的保護膜，所以也稱固著劑。由于有機溶劑涂料在使用時對環(huán)境有污染，同時為了節(jié)省資源，現代涂料已從有機溶劑型向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反應性涂料轉化，并向無有機溶劑涂料過渡。第11頁/共20頁4.涂層裝飾技術第11頁/共20頁第十一章機械零件的選材

機械零件的設計包括零件結構設計、材料選擇和工藝設計三個方面。在許多情況下，選材或用材不當是造成零件失效的重要原因之一。因此，了解選材的思路，掌握合理選材的原則，在掌握各種工程材料性能的基礎上，正確、合理地選擇和使用材料是從事機械設計與制造的工程技術人員的一項重要任務，具有很重要的實際意義。第12頁/共20頁第十一章機械零件的選材機械零件的設計包

遵循三條基本原則：

使用性能足夠,

工藝性能良好,

經濟性合理。第一節(jié)選材的基本原則第13頁/共20頁第一節(jié)選材的基本原則第13頁/共20頁

使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使用性能是指零件在工作過程中應具備的力學性能、物理性能和化學性能，它是選材的最主要依據，對于機械零件，最重要的使用性能是力學性能。對零件力學性能的要求，一般是在分析零件的工作條件(溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質等)和失效形式的基礎上提出來的。根據使用性能選材的步驟如下：

1.分析零件的工作條件，確定使用性能零件的工作條件是復雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)(拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)、載荷性質(靜載、動載、交變載荷)、載荷大小及分布、工作溫度(低溫、室溫、高溫、變溫)、環(huán)境介質(潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等)、對零件的特殊性能要求(電、磁、熱)等。在對工作條件進行全面分析的基礎上確定零件的使用性能。

2.分析零部件的失效原因，確定主要使用性能。對零件使用性能的要求，往往是多項的。例如傳動軸，要求其具有高的疲勞強度、韌性和軸頸的耐磨性。因此，需要通過對零部件失效原因的分析，找出導致失效的主導因素，準確確定出零件所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析表明，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應以疲勞抗力作為主要使用性能要求來進行曲軸的設計。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價格便宜、工藝簡單的球墨鑄鐵。表11-1列出了幾種常見零件的工作條件、失效形式及對性能的要求。一、使用性能足夠的原則第14頁/共20頁使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使

3.將對零件的使用性能要求轉化為對材料性能指標的要求有了對零件使用性能的要求，還不能馬上進行選材，還需要通過分析、計算或模擬試驗將使用性能要求指標化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉化為“﹥60HRC”或“62-65HRC