學習情境二：冶金機械設備現(xiàn)代維修技術模塊八：其它修復技術簡介一、表面形變強化

（或稱表面機械強化）表面形變強化原理是，通過機械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層（此形變硬化層的深度可達0.5～1.5mm），從而使表面層硬度、強度提高，有利于提高零件抗疲勞強度和使用壽命。表面形變強化工藝方法簡單、成本低廉、強化效果顯著，在機械設備維修領域中常用，其名目也十分繁多，常用的強化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等，現(xiàn)對其介紹如下：滾壓強化是指利用經(jīng)過淬硬和精細拋光過的、可自由旋轉的滾柱或滾珠，對零件表面進行擠壓，以提高加工表面質(zhì)量的一種機械強化加工方法。滾壓強化工藝是一種無切削加工工藝，表面滾壓可以顯著地提高零件的疲勞強度，并且降低缺口敏感性，提高零件承載能力。滾壓加工可減小表面粗糙度值2～3級，提高硬度10%～40%，表面層耐疲勞強度一般提高30%～50%，耐磨性提高1.5～3倍，可以修正和提高形狀誤差和表面粗糙度，而且滾壓過程操作方便，效率高、凈潔無污染，其具有應用范圍寬，滾壓后的零件使用壽命長等特點，適用于對粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。1、滾壓強化滾輪滾壓加工可加工圓柱形或錐形的外表面和內(nèi)表面曲線旋轉體的外表面、平面、端面、凹槽、臺階軸的過渡圓角，特別適用于形狀簡單的大型軸類、套筒類零件內(nèi)、外旋轉表面的加工、滾壓螺釘、螺栓等零件的螺紋以及滾壓小模數(shù)齒輪和滾花等，尤其是尺寸突然變化的結構應力集中處，如火車軸的軸徑等，通過表面滾壓處理后，其表面質(zhì)量有了顯著提高，很好的提高了經(jīng)濟效益。實例：軸類零件滾壓滾柱滾壓是最簡單最常用的冷壓強化方法。單滾柱滾壓壓力大且不平衡，這就要求工藝系統(tǒng)有足夠的剛度；多滾柱滾壓可對稱布置滾柱以滾壓內(nèi)孔可外圓，減小了工藝系統(tǒng)的變形；這種方法也可滾壓成形表面或錐面。滾珠滾壓接觸面積小，壓強大，滾壓力均勻，用于對剛度差的工件進行滾壓，亦可做成多滾珠滾壓。離心轉子滾壓是利用離心力進行滾壓的方法。滾球或滾柱的重量、轉子直徑及轉速決定了滾壓力的大小，一般成正比關系。實例：油缸內(nèi)孔滾壓擠壓加工是利用截面形狀與工件孔形相同的擠壓工具（脹頭），在兩者間有一定過盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面強化的工藝措施。內(nèi)擠壓強化原理是：利用棒、襯套、模具等特殊的擠壓工具，對零件孔或周邊連續(xù)、緩慢、均勻地擠壓，形成塑性變形成的硬化層。塑性變形層內(nèi)組織結構發(fā)生變化，引起形變強化，并產(chǎn)生殘余壓應力，降低了孔壁粗糙度，對提高材料疲勞強度和應力腐蝕能力很有效。2、內(nèi)擠壓強化內(nèi)擠壓效率較高，效果較好，方法簡單，使用于高強度鋼，合金結構鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等零件，主要被擠壓孔的形狀是圓孔、橢圓孔、長圓孔、臺階孔埋頭窩孔和開口孔等?？刹捎脝苇h(huán)可多環(huán)擠刀，后者與拉刀相似，擠后工件孔質(zhì)量提高。2、內(nèi)擠壓強化載重汽車挺柱體的冷擠壓

噴丸強化是用壓縮空氣或離心力等將珠丸高速、連續(xù)噴出，撞擊金屬工件表面，使之產(chǎn)生屈服，形成冷硬層和殘余壓應力。形成壓縮應力層的目的是預防工件疲勞破壞，把易產(chǎn)生疲勞破壞裂紋部位的拉應力轉為壓應力，從而有效地控制裂紋擴展。通過噴丸可以明顯改變金屬表面的應力狀態(tài)、顯微硬度、表層的微觀形貌和相成分，從而提高零件的疲勞強度、抗沖擊磨損及抗應力腐蝕性能，延長零件使用壽命。噴丸強化主要用于強化形狀比較復雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸、鏈條等，也可用于一般零件，如板彈簧、螺旋彈簧、履帶銷、焊縫、軸、葉片等。3、噴丸強化。大型轉臺式拋噴丸清理機鋼管內(nèi)壁拋噴丸。圖：管道內(nèi)壁噴丸圖：噴丸用玻璃微珠圖：常用的的冷壓強化化工藝方法法a）單滾柱或或多滾柱滾滾壓b）單滾珠或或多滾珠滾滾壓c）鋼珠擠壓壓和漲孔d）噴丸強化化1、表面熱熱處理強化化二、表面熱熱處理強化化和表面化化學熱處理理強化表面面熱熱處處理理是是通通過過對對零零件件的的表表層層進進行行加加熱熱、、冷冷卻卻，，表表層層發(fā)發(fā)生生相相變變，，從從而而改改變變表表層層組組織織和和性性能能，，而而不不改改變變其其表表層層成成份份的的熱熱處處理理工工藝藝，，也稱稱作作表表面面淬淬火火技技術術。表表面面熱熱處處理理是是一一種種發(fā)發(fā)展展較較早早、、應應用用較較廣廣的的表表面面工工程程技技術術。。隨隨著著科科學學技技術術的的進進步步，，尤尤其其是是新新型型熱熱源源的的出出現(xiàn)現(xiàn)，，使使表表面面熱熱處處理理技技術術日日益益完完善善。。表面面淬淬火火的的原原理理是是：：用用電電磁磁感感應應、、火火焰焰、、激激光光等等加加熱熱方方法法對對零零件件表表面面迅迅速速加加熱熱，，使使表表面面材材料料快快速速加加熱熱到到相相變變臨臨界界點點以以上上而而轉轉變變?yōu)闉榧毤毿⌒〉牡膴W奧氏氏體體組組織織，，心心部部材材料料仍仍保保持持在在相相變變臨臨界界點點以以下下，，保保持持原原有有組組織織，，其其后后用用水水或或油油、、或或依依靠靠母母材材快快速速冷冷卻卻達達到到淬淬火火目目的的，，獲獲得得微微細細的的馬馬氏氏體體組組織織，，從從而而提提高高了了零零件件的的表表面面硬硬度度和和耐耐磨磨性性。。而而零零件件心心部部因因未未發(fā)發(fā)生生相相變變，，仍仍保保持持其其強強度度高高、、韌韌性性好好的的性性能能特特點點。。這這種種表表面面處處理理方方法法常常用用于于齒齒輪輪、、軸軸類類的的表表面面強強化化。。按照照加加熱熱方方式式，，傳傳統(tǒng)統(tǒng)表表面面熱熱處處理理可可分分為為感感應應加加熱熱、、火火焰焰加加熱熱、、電電接接觸觸加加熱熱、、浴浴爐爐（（高高溫溫鹽鹽溶溶爐爐））加加熱熱等等表表面面淬淬火火工工藝藝。。圖：：大大型型齒齒輪輪表表面面淬淬火火圖：：導導軌軌表表面面淬淬火火圖：：鋼鋼軌軌表表面面淬淬火火2、、表表面面化化學學熱熱處處理理強強化化化學學熱熱處處理理：：指指金金屬屬或或合合金金工工件件置置于于一一定定溫溫度度的的活活性性介介質(zhì)質(zhì)中中保保溫溫，，使使一一種種或或幾幾種種元元素素滲滲入入它它的的表表層層，，以以改改變變其其化化學學成成分分，，組組織織和和性性能能的的熱熱處處理理工工藝藝。?；瘜W學熱熱處處理理與與一一般般熱熱處處理理的的區(qū)區(qū)別別在在于于：它它通通過過改改變變鋼鋼表表面面的的化化學學成成分分和和組組織織，，達達到到改改善善表表面面性性質(zhì)質(zhì)的的目目的的，，使使得得用用單單一一材材料料制制作作的的零零件件，，在在表表面面和和心心部部具具有有顯顯著著不不同同的的兩兩種種性性能能。。它它在在工工業(yè)業(yè)中中得得到到越越來來越越廣廣泛泛的的應應用用。。化學學熱熱處處理理是是古古老老的的工工藝藝之之一一，，在在中中國國可可上上溯溯到到西西漢漢時時期期。。已已出出土土的的西西漢漢中中山山靖靖王王劉劉勝勝的的佩佩劍劍，，表表面面含含碳碳量量達達O.6～0.7%，而而心心部部為為O.15～O.4%，具具有有明明顯顯的的滲滲碳碳特特征征。。明明代代宋宋應應星星撰撰《天工工開開物物》一書書中中，，就就記記載載有有用用豆豆豉豉、、動動物物骨骨炭炭等等作作為為滲滲碳碳劑劑的的軟軟鋼鋼滲滲碳碳工工藝藝。。明明代代方方以以智智在在《物理理小小識識》““淬刀刀””一一節(jié)節(jié)中中，，還還記記載載有有““以以醬醬同同硝硝涂涂鏨鏨口口，，煅煅赤赤淬淬火火””。。硝硝是是含含氮氮物物質(zhì)質(zhì)，，當當有有一一定定的的滲滲氮氮作作用用。。這這說說明明滲滲碳碳、、滲滲氮氮或或碳碳氮氮共共滲滲等等化化學學熱熱處處理理工工藝藝，，早早在在古古代代就就已已被被勞勞動動人人民民所所掌掌握握，，并并作作為為一一種種工工藝藝廣廣泛泛用用于于兵兵器器和和農(nóng)農(nóng)具具的的制制作作。。按滲滲入入元元素素的的性性質(zhì)質(zhì)，，化化學學熱熱處處理理可可分分為為滲滲非非金金屬屬和和滲滲金金屬屬兩兩大大類類。前者者包括括滲滲碳碳、、滲滲氮氮、、滲滲硼硼和和多多種種非非金金屬屬元元素素共共滲滲，，如如碳碳氮氮共共滲滲、、氮氮碳碳共共滲滲、、硫硫氮氮共共滲滲、、硫硫氮氮碳碳(硫氰氰)共滲滲等等；；后者者主要要有有滲滲鋁鋁、、滲滲鉻鉻、、滲滲鋅鋅，，鈦鈦、、鈮鈮、、鉭鉭、、釩釩、、鎢鎢等等也也是是常常用用的的表表面面合合金金化化元元素素，，二二元元、、多多元元滲滲金金屬屬工工藝藝，，如如鋁鋁鉻鉻共共滲滲、、鉭鉭鉻鉻共共滲滲等等均均已已用用于于生生產(chǎn)產(chǎn)。。此此外外，，金金屬屬與與非非金金屬屬元元素素的的二二元元或或多多元元共共滲滲工工藝藝也也不不斷斷涌涌現(xiàn)現(xiàn)，，例例如如鋁鋁硅硅共共滲滲、、硼硼鉻鉻共共滲滲等等。。化學學熱熱處處理理的的目目的的：：主要要是是提提高高鋼鋼件件表表面面的的硬硬度度，，耐耐磨磨性性，，抗抗蝕蝕性性，，抗抗疲疲勞勞強強度度和和抗抗氧氧化化性性等等。。每每一一種種化化學學熱熱處處理理工工藝藝都都各各有有其其特特點點，，可可根根據(jù)據(jù)工工件件的的材材質(zhì)質(zhì)和和工工作作條條件件選選擇擇相相應應的的化化學學熱熱處處理理工工藝藝。。圖：：氣氣體體滲滲碳碳、、碳碳氮氮共共滲滲爐爐三、、電電火火花花強強化化圖：：金金屬屬模模具具缺缺陷陷電電火火花花修修補補冷冷焊焊機機電火火花花強強化化是是以以直直接接放放電電的的方方式式向向零零件件表表面面提提供供能能量量，，并并使使之之轉轉化化為為熱熱能能和和其其它它形形式式的的能能量量，，以以達達到到改改變變表表層層化化學學成成分分和和金金相相組組織織的的目目的的，，從從而而是是表表面面性性能能提提高高。。1、電電火火花花強強化化原原理理組成成電電火火花花強強化化設設備備的的最最基基本本部部件件是是脈脈沖沖電電源源和和振振動動器器。。前前者者供供給給瞬瞬時時放放電電能能量量；；后后者者使使電電極極振振動動并并周周期期地地接接觸觸工工件件。。當電電極極棒棒（（焊焊條條））在在工工作作表表面面旋旋轉轉，，當當某某些些部部位位間間隙隙很很小小時時，，使使主主機機放放電電回回路路形形成成通通路路。。在在他他們們相相互互接接觸觸的的微微小小區(qū)區(qū)域域瞬瞬時時流流過過電電流流，，電電流流密密度度可可達達到到105～106A/cm2，而而放放電電時時間間僅僅10-6～10-5秒，，由由于于放放電電能能量量在在時時間間上上和和空空間間上上高高度度集集中中，，在在放放電電微微小小的的區(qū)區(qū)域域內(nèi)內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生生了了約約8000℃℃～10000℃℃的高高溫溫，，使使該該區(qū)區(qū)域域的的局局部部材材料料高高能能離離子子化化。。1、電電火火花花強強化化原原理理電極極棒棒（（焊焊條條））在在等等離離子子冶冶金金狀狀態(tài)態(tài)下下高高速速轉轉移移到到工工件件表表面面，，并并擴擴散散進進入入到到工工件件表表層層，，形形成成冶冶金金型型牢牢固固結結合合的的沉沉積積層層。。主主機機電電源源放放電電周周期期為為10-3～10-1秒，高頻率的的放電和電極極棒（焊條））在工件表面面的高速旋轉轉掃描，可實實現(xiàn)大面積高高效率的沉積積涂層。簡單地說，電火花強化的的原理，就是是直接利用火火花放電的能能量，使電極極材料在工件件表面形成特特殊性質(zhì)的合合金層。當然，除了形形成合金層，，電火花改善善工件表面性性能還有另外外一些原因，，比如火花放放電的驟熱驟驟冷作用具有有表面淬火的的效果；用石石墨電極強化化則有表面滲滲碳的效果等等。圖：電電火花花強化化過程程示意意圖其中：：R：限流流電阻阻；C：儲能能電容容器2、電火火花強強化過過程該過程程包括括強化化前準準備，，實施施強化化和強強化后后處理理三個個方面面：強化前前準備備：首首先了了解工工件的的性質(zhì)質(zhì)和要要求，，以便便確定定是否否采用用電火火花強強化工工藝。。其次次，確確定強強化的的部位位，并并清潔潔強化化部位位，最最后選選擇好好強化化設備備、強強化規(guī)規(guī)準和和電極極材料料。在在有條條件的的情況況下，，或強強化的的工件件比較較特殊殊的時時，最最好能能用同同樣材材料制制成的的試塊塊進行行強化化試驗驗。實施強強化，，是電電火花花強化化的重重要環(huán)環(huán)節(jié)，，包括括安置置設備備、工工件及及電極極；調(diào)調(diào)整電電極與與工件件強化化表面面的夾夾角；；選擇擇電極極移動動方式式和掌掌握電電極移移動速速度；；去除除瑕疵疵等。。強化后后處理理包括括表面面清理理和表表面質(zhì)質(zhì)量檢檢查等等。3、電火火花在在機械械設備備維修修中的的應用用我國運運用電電火花花運用用電火火花強強化工工藝始始于五五十年年代。。由于于當時時在基基礎理理論和和應用用技術術等方方面缺缺乏研研究，，加之之強化化設備備本身身也存存在某某些問問題，，因此此未能能得到到推廣廣。在在七十十年代代，這這項被被遺忘忘的工工藝因因在刀刀具、、模具具等上上的運運用所所取得得的明明顯的的效果果，而而重新新引起起重視視。目目前，，已被被廣泛泛應用用在模模具強強化、、刀具具強化化、機機械零零件（（尤其其是易易摩擦擦磨損損的零零件））強化化、磨磨損件件的微微量修修補。。此外外，通通過使使用強強化機機上配配置的的附件件和極極性開開關，，還可可以對對工件件進行行電火火花加加工，，用于于取出出折斷斷的絲絲錐或或鉆頭頭，在在淬硬硬的工工件上上加工工小孔孔等。。3、電火火花在在機械械設備備維修修中的的應用用但是應應該注注意電電火花花加工工也存存在一一些缺缺點：：通常常使用用的設設備的的強化化厚度度僅0.02～0.05mm；表面面粗糙糙度一一般僅僅為Ra1.25～5μm；手工工操作作的強強化速速度較較慢，，強化化生產(chǎn)產(chǎn)率為為0.2～0.3cm2/min；強化化層的的均勻勻性、、連續(xù)續(xù)性較較差。。因此此，限限制了了強化化工藝藝在某某些場場合的的運用用。然然而，，如果果我們們能充充分認認識該該工藝藝的特特點，，并合合理運運用，，作為為一項項特殊殊的表表面處處理技技術，，它將將具有有廣泛泛的應應用潛潛力。。圖；電電火花花修補補示意意圖四、激激光表表面處處理激光是是20世紀以以來，，繼原原子能能、計計算機機、半半導體體之后后，人人類的的又一一重大大發(fā)明明。它它的原原理早早在1917年已被被著名名的物物理學學家愛愛因斯斯坦發(fā)發(fā)現(xiàn)，，但要要直到到1958年美國國科學學家肖肖洛和和湯斯斯發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了一一種神神奇的的現(xiàn)象象：當當他們們將內(nèi)內(nèi)光燈燈泡所所發(fā)射射的光光照在在一種種稀土土晶體體上時時，晶晶體的的分子子會發(fā)發(fā)出鮮鮮艷的的、始始終會會聚在在一起起的強強光。。根據(jù)據(jù)這一一現(xiàn)象象，他他們提提出了了"激光原原理"。1960年5月15日，美美國加加利福福尼亞亞州休休斯實實驗室室的科科學家家梅曼曼宣布布獲得得了波波長為為0.6943微米的的激光光，這這是人人類有有史以以來獲獲得的的第一一束激激光，，梅曼曼因而而也成成為世世界上上第一一個將將激光光引入入實用用領域域的科科學家家。激激光是是在有有理論論準備備和生生產(chǎn)實實踐迫迫切切需要要的背背景下下應運運而生生的，，它一一問世世，就就獲得得了異異乎尋尋常的的飛快快發(fā)展展，激激光的的發(fā)展展不僅僅使古古老的的光學學科學學和光光學技技術獲獲得了了新生生，而而且導導致整整個一一門新新興產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的的出出現(xiàn)。。激光光可使使人們們有效效地利利用前前所未未有的的先進進方法法和手手段，，去獲獲得空空前的的效益益和成成果，，從而而促進進了生生產(chǎn)力力的發(fā)發(fā)展。。（1）定向向發(fā)光光。激激光器器發(fā)射射的激激光，，天生生就是是朝一一個方方向射射出，，光束束的發(fā)發(fā)散度度極小小，大大約只只有0.001弧度，，接近近平行行。1、激光光的特點（2）亮度度極高高。激激光亮亮度極極高的的主要要原因因是定定向發(fā)發(fā)光。。大量量光子子集中中在一一個極極小的的空間間范圍圍內(nèi)射射出，，能量量密度度自然然極高高。（3）、顏顏色極極純。。光光的顏顏色由由光的的波長長（或或頻率率）決決定。。一定定的波波長對對應一一定的的顏色色。光光輻射射的波波長分分布區(qū)區(qū)間越越窄，，單色色性越越好激光表表面處處理原原理通通過將將高功功率密密度激激光束束向工工件表表面進進行照照射，，光能能被工工件表表面所所吸收收，并并轉換換成熱熱能，，由此此實現(xiàn)現(xiàn)表面面處理理。激光表表面處處理設設備主主要包包括激激光器器、功功率計計、導導光聚聚焦系系統(tǒng)、、工作作臺、、數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)和軟軟件編編程系系統(tǒng)等等構成成。2、激光光表面面處理理技術術激光表表面處處理技技術主主要有有激光光表面面強化化、激激光表表面涂涂敷、、激光光表面面非晶晶態(tài)處處理、、激光光表面面合金金化、、激光光氣相相沉積積等。。（1）激光光表面面強化化（2）激光光表面面涂敷敷（3）激光光表面非非晶態(tài)態(tài)處理理（4）激光光表面面合金金化（5）激光光表面面氣相相沉積積軸磨損損的激激光修修復軋輥軸軸頭的的激光光堆焊焊五、電電子束束表面面處理理電子束束在表表面改改性方方面的的應用用起始始于上上個世世紀70年代。。電子子束表表面處處理設設備包包括高高壓電電源、、電子子槍、、低真真空工工作室室、傳傳動機機構、、高真真空系系統(tǒng)和和電子子控制制系統(tǒng)統(tǒng)等。。電子束束表面面處理理的主主要特特點有有：1、電子子束聚聚焦性性極好好，可可達0.1μ，處理理面積積可調(diào)調(diào)整到到極小小，進進行精精密微微細的的局部部表面面改性性，又又因電電子束束作用用時間間極短短為10－7s，故改改性導導致的的變形形極小小。2、電子子束能能量密密度可可控且且控制制范圍圍大，，可適適應不不同種種類的的相變變硬化化處理理和輔輔助成成膜處處理。。由