冶金机械设备现代维修技术

学习情境二：冶金机械设备现代维修技术模块八：其它修复技术简介一、表面形变强化

（或称表面机械强化）表面形变强化原理是，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高，有利于提高零件抗疲劳强度和使用寿命。表面形变强化工艺方法简单、成本低廉、强化效果显著，在机械设备维修领域中常用，其名目也十分繁多，常用的强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等，现对其介绍如下：滚压强化是指利用经过淬硬和精细抛光过的、可自由旋转的滚柱或滚珠，对零件表面进行挤压，以提高加工表面质量的一种机械强化加工方法。滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，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，提高零件承载能力。滚压加工可减小表面粗糙度值2～3级，提高硬度10%～40%，表面层耐疲劳强度一般提高30%～50%，耐磨性提高1.5～3倍，可以修正和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、净洁无污染，其具有应用范围宽，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。1、滚压强化滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角，特别适用于形状简单的大型轴类、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，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，通过表面滚压处理后，其表面质量有了显著提高，很好的提高了经济效益。实例：轴类零件滚压滚柱滚压是最简单最常用的冷压强化方法。单滚柱滚压压力大且不平衡，这就要求工艺系统有足够的刚度；多滚柱滚压可对称布置滚柱以滚压内孔可外圆，减小了工艺系统的变形；这种方法也可滚压成形表面或锥面。滚珠滚压接触面积小，压强大，滚压力均匀，用于对刚度差的工件进行滚压，亦可做成多滚珠滚压。离心转子滚压是利用离心力进行滚压的方法。滚球或滚柱的重量、转子直径及转速决定了滚压力的大小，一般成正比关系。实例：油缸内孔滚压挤压加工是利用截面形状与工件孔形相同的挤压工具（胀头），在两者间有一定过盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面强化的工艺措施。内挤压强化原理是：利用棒、衬套、模具等特殊的挤压工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。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，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。2、内挤压强化内挤压效率较高，效果较好，方法简单，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，主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔等。可采用单环可多环挤刀，后者与拉刀相似，挤后工件孔质量提高。2、内挤压强化载重汽车挺柱体的冷挤压

喷丸强化是用压缩空气或离心力等将珠丸高速、连续喷出，撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成冷硬层和残余压应力。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的拉应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高零件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能，延长零件使用寿命。喷丸强化主要用于强化形状比较复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴、链条等，也可用于一般零件，如板弹簧、螺旋弹簧、履带销、焊缝、轴、叶片等。3、喷丸强化。大型转台式抛喷丸清理机钢管内壁抛喷丸。图：管道内壁喷丸图：喷丸用玻璃微珠图：常用的的冷压强化化工艺方法法a）单滚柱或或多滚柱滚滚压b）单滚珠或或多滚珠滚滚压c）钢珠挤压压和涨孔d）喷丸强化化1、表面热热处理强化化二、表面热热处理强化化和表面化化学热处理理强化表面面热热处处理理是是通通过过对对零零件件的的表表层层进进行行加加热热、、冷冷却却，，表表层层发发生生相相变变，，从从而而改改变变表表层层组组织织和和性性能能，，而而不不改改变变其其表表层层成成份份的的热热处处理理工工艺艺，，也称称作作表表面面淬淬火火技技术术。表表面面热热处处理理是是一一种种发发展展较较早早、、应应用用较较广广的的表表面面工工程程技技术术。。随随着着科科学学技技术术的的进进步步，，尤尤其其是是新新型型热热源源的的出出现现，，使使表表面面热热处处理理技技术术日日益益完完善善。。表面面淬淬火火的的原原理理是是：：用用电电磁磁感感应应、、火火焰焰、、激激光光等等加加热热方方法法对对零零件件表表面面迅迅速速加加热热，，使使表表面面材材料料快快速速加加热热到到相相变变临临界界点点以以上上而而转转变变为为细细小小的的奥奥氏氏体体组组织织，，心心部部材材料料仍仍保保持持在在相相变变临临界界点点以以下下，，保保持持原原有有组组织织，，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却却达达到到淬淬火火目目的的，，获获得得微微细细的的马马氏氏体体组组织织，，从从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发发生生相相变变，，仍仍保保持持其其强强度度高高、、韧韧性性好好的的性性能能特特点点。。这这种种表表面面处处理理方方法法常常用用于于齿齿轮轮、、轴轴类类的的表表面面强强化化。。按照照加加热热方方式式，，传传统统表表面面热热处处理理可可分分为为感感应应加加热热、、火火焰焰加加热热、、电电接接触触加加热热、、浴浴炉炉（（高高温温盐盐溶溶炉炉））加加热热等等表表面面淬淬火火工工艺艺。。图：：大大型型齿齿轮轮表表面面淬淬火火图：：导导轨轨表表面面淬淬火火图：：钢钢轨轨表表面面淬淬火火2、、表表面面化化学学热热处处理理强强化化化学学热热处处理理：：指指金金属属或或合合金金工工件件置置于于一一定定温温度度的的活活性性介介质质中中保保温温，，使使一一种种或或几几种种元元素素渗渗入入它它的的表表层层，，以以改改变变其其化化学学成成分分，，组组织织和和性性能能的的热热处处理理工工艺艺。。化学学热热处处理理与与一一般般热热处处理理的的区区别别在在于于：它它通通过过改改变变钢钢表表面面的的化化学学成成分分和和组组织织，，达达到到改改善善表表面面性性质质的的目目的的，，使使得得用用单单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显显著著不不同同的的两两种种性性能能。。它它在在工工业业中中得得到到越越来来越越广广泛泛的的应应用用。。化学学热热处处理理是是古古老老的的工工艺艺之之一一，，在在中中国国可可上上溯溯到到西西汉汉时时期期。。已已出出土土的的西西汉汉中中山山靖靖王王刘刘胜胜的的佩佩剑剑，，表表面面含含碳碳量量达达O.6～0.7%，而而心心部部为为O.15～O.4%，具具有有明明显显的的渗渗碳碳特特征征。。明明代代宋宋应应星星撰撰《天工工开开物物》一书书中中，，就就记记载载有有用用豆豆豉豉、、动动物物骨骨炭炭等等作作为为渗渗碳碳剂剂的的软软钢钢渗渗碳碳工工艺艺。。明明代代方方以以智智在在《物理理小小识识》““淬刀刀””一一节节中中，，还还记记载载有有““以以酱酱同同硝硝涂涂錾錾口口，，煅煅赤赤淬淬火火””。。硝硝是是含含氮氮物物质质，，当当有有一一定定的的渗渗氮氮作作用用。。这这说说明明渗渗碳碳、、渗渗氮氮或或碳碳氮氮共共渗渗等等化化学学热热处处理理工工艺艺，，早早在在古古代代就就已已被被劳劳动动人人民民所所掌掌握握，，并并作作为为一一种种工工艺艺广广泛泛用用于于兵兵器器和和农农具具的的制制作作。。按渗渗入入元元素素的的性性质质，，化化学学热热处处理理可可分分为为渗渗非非金金属属和和渗渗金金属属两两大大类类。前者者包括括渗渗碳碳、、渗渗氮氮、、渗渗硼硼和和多多种种非非金金属属元元素素共共渗渗，，如如碳碳氮氮共共渗渗、、氮氮碳碳共共渗渗、、硫硫氮氮共共渗渗、、硫硫氮氮碳碳(硫氰氰)共渗渗等等；；后者者主要要有有渗渗铝铝、、渗渗铬铬、、渗渗锌锌，，钛钛、、铌铌、、钽钽、、钒钒、、钨钨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、、多多元元渗渗金金属属工工艺艺，，如如铝铝铬铬共共渗渗、、钽钽铬铬共共渗渗等等均均已已用用于于生生产产。。此此外外，，金金属属与与非非金金属属元元素素的的二二元元或或多多元元共共渗渗工工艺艺也也不不断断涌涌现现，，例例如如铝铝硅硅共共渗渗、、硼硼铬铬共共渗渗等等。。化学学热热处处理理的的目目的的：：主要要是是提提高高钢钢件件表表面面的的硬硬度度，，耐耐磨磨性性，，抗抗蚀蚀性性，，抗抗疲疲劳劳强强度度和和抗抗氧氧化化性性等等。。每每一一种种化化学学热热处处理理工工艺艺都都各各有有其其特特点点，，可可根根据据工工件件的的材材质质和和工工作作条条件件选选择择相相应应的的化化学学热热处处理理工工艺艺。。图：：气气体体渗渗碳碳、、碳碳氮氮共共渗渗炉炉三、、电电火火花花强强化化图：：金金属属模模具具缺缺陷陷电电火火花花修修补补冷冷焊焊机机电火火花花强强化化是是以以直直接接放放电电的的方方式式向向零零件件表表面面提提供供能能量量，，并并使使之之转转化化为为热热能能和和其其它它形形式式的的能能量量，，以以达达到到改改变变表表层层化化学学成成分分和和金金相相组组织织的的目目的的，，从从而而是是表表面面性性能能提提高高。。1、电电火火花花强强化化原原理理组成成电电火火花花强强化化设设备备的的最最基基本本部部件件是是脉脉冲冲电电源源和和振振动动器器。。前前者者供供给给瞬瞬时时放放电电能能量量；；后后者者使使电电极极振振动动并并周周期期地地接接触触工工件件。。当电电极极棒棒（（焊焊条条））在在工工作作表表面面旋旋转转，，当当某某些些部部位位间间隙隙很很小小时时，，使使主主机机放放电电回回路路形形成成通通路路。。在在他他们们相相互互接接触触的的微微小小区区域域瞬瞬时时流流过过电电流流，，电电流流密密度度可可达达到到105～106A/cm2，而而放放电电时时间间仅仅10-6～10-5秒，，由由于于放放电电能能量量在在时时间间上上和和空空间间上上高高度度集集中中，，在在放放电电微微小小的的区区域域内内产产生生了了约约8000℃℃～10000℃℃的高高温温，，使使该该区区域域的的局局部部材材料料高高能能离离子子化化。。1、电电火火花花强强化化原原理理电极极棒棒（（焊焊条条））在在等等离离子子冶冶金金状状态态下下高高速速转转移移到到工工件件表表面面，，并并扩扩散散进进入入到到工工件件表表层层，，形形成成冶冶金金型型牢牢固固结结合合的的沉沉积积层层。。主主机机电电源源放放电电周周期期为为10-3～10-1秒，高频率的的放电和电极极棒（焊条））在工件表面面的高速旋转转扫描，可实实现大面积高高效率的沉积积涂层。简单地说，电火花强化的的原理，就是是直接利用火火花放电的能能量，使电极极材料在工件件表面形成特特殊性质的合合金层。当然，除了形形成合金层，，电火花改善善工件表面性性能还有另外外一些原因，，比如火花放放电的骤热骤骤冷作用具有有表面淬火的的效果；用石石墨电极强化化则有表面渗渗碳的效果等等。图：电电火花花强化化过程程示意意图其中：：R：限流流电阻阻；C：储能能电容容器2、电火火花强强化过过程该过程程包括括强化化前准准备，，实施施强化化和强强化后后处理理三个个方面面：强化前前准备备：首首先了了解工工件的的性质质和要要求，，以便便确定定是否否采用用电火火花强强化工工艺。。其次次，确确定强强化的的部位位，并并清洁洁强化化部位位，最最后选选择好好强化化设备备、强强化规规准和和电极极材料料。在在有条条件的的情况况下，，或强强化的的工件件比较较特殊殊的时时，最最好能能用同同样材材料制制成的的试块块进行行强化化试验验。实施强强化，，是电电火花花强化化的重重要环环节，，包括括安置置设备备、工工件及及电极极；调调整电电极与与工件件强化化表面面的夹夹角；；选择择电极极移动动方式式和掌掌握电电极移移动速速度；；去除除瑕疵疵等。。强化后后处理理包括括表面面清理理和表表面质质量检检查等等。3、电火火花在在机械械设备备维修修中的的应用用我国运运用电电火花花运用用电火火花强强化工工艺始始于五五十年年代。。由于于当时时在基基础理理论和和应用用技术术等方方面缺缺乏研研究，，加之之强化化设备备本身身也存存在某某些问问题，，因此此未能能得到到推广广。在在七十十年代代，这这项被被遗忘忘的工工艺因因在刀刀具、、模具具等上上的运运用所所取得得的明明显的的效果果，而而重新新引起起重视视。目目前，，已被被广泛泛应用用在模模具强强化、、刀具具强化化、机机械零零件（（尤其其是易易摩擦擦磨损损的零零件））强化化、磨磨损件件的微微量修修补。。此外外，通通过使使用强强化机机上配配置的的附件件和极极性开开关，，还可可以对对工件件进行行电火火花加加工，，用于于取出出折断断的丝丝锥或或钻头头，在在淬硬硬的工工件上上加工工小孔孔等。。3、电火火花在在机械械设备备维修修中的的应用用但是应应该注注意电电火花花加工工也存存在一一些缺缺点：：通常常使用用的设设备的的强化化厚度度仅0.02～0.05mm；表面面粗糙糙度一一般仅仅为Ra1.25～5μm；手工工操作作的强强化速速度较较慢，，强化化生产产率为为0.2～0.3cm2/min；强化化层的的均匀匀性、、连续续性较较差。。因此此，限限制了了强化化工艺艺在某某些场场合的的运用用。然然而，，如果果我们们能充充分认认识该该工艺艺的特特点，，并合合理运运用，，作为为一项项特殊殊的表表面处处理技技术，，它将将具有有广泛泛的应应用潜潜力。。图；电电火花花修补补示意意图四、激激光表表面处处理激光是是20世纪以以来，，继原原子能能、计计算机机、半半导体体之后后，人人类的的又一一重大大发明明。它它的原原理早早在1917年已被被著名名的物物理学学家爱爱因斯斯坦发发现，，但要要直到到1958年美国国科学学家肖肖洛和和汤斯斯发现现了一一种神神奇的的现象象：当当他们们将内内光灯灯泡所所发射射的光光照在在一种种稀土土晶体体上时时，晶晶体的的分子子会发发出鲜鲜艳的的、始始终会会聚在在一起起的强强光。。根据据这一一现象象，他他们提提出了了"激光原原理"。1960年5月15日，美美国加加利福福尼亚亚州休休斯实实验室室的科科学家家梅曼曼宣布布获得得了波波长为为0.6943微米的的激光光，这这是人人类有有史以以来获获得的的第一一束激激光，，梅曼曼因而而也成成为世世界上上第一一个将将激光光引入入实用用领域域的科科学家家。激激光是是在有有理论论准备备和生生产实实践迫迫切切需要要的背背景下下应运运而生生的，，它一一问世世，就就获得得了异异乎寻寻常的的飞快快发展展，激激光的的发展展不仅仅使古古老的的光学学科学学和光光学技技术获获得了了新生生，而而且导导致整整个一一门新新兴产产业的的出出现。。激光光可使使人们们有效效地利利用前前所未未有的的先进进方法法和手手段，，去获获得空空前的的效益益和成成果，，从而而促进进了生生产力力的发发展。。（1）定向向发光光。激激光器器发射射的激激光，，天生生就是是朝一一个方方向射射出，，光束束的发发散度度极小小，大大约只只有0.001弧度，，接近近平行行。1、激光光的特点（2）亮度度极高高。激激光亮亮度极极高的的主要要原因因是定定向发发光。。大量量光子子集中中在一一个极极小的的空间间范围围内射射出，，能量量密度度自然然极高高。（3）、颜颜色极极纯。。光光的颜颜色由由光的的波长长（或或频率率）决决定。。一定定的波波长对对应一一定的的颜色色。光光辐射射的波波长分分布区区间越越窄，，单色色性越越好激光表表面处处理原原理通通过将将高功功率密密度激激光束束向工工件表表面进进行照照射，，光能能被工工件表表面所所吸收收，并并转换换成热热能，，由此此实现现表面面处理理。激光表表面处处理设设备主主要包包括激激光器器、功功率计计、导导光聚聚焦系系统、、工作作台、、数控控系统统和软软件编编程系系统等等构成成。2、激光光表面面处理理技术术激光表表面处处理技技术主主要有有激光光表面面强化化、激激光表表面涂涂敷、、激光光表面面非晶晶态处处理、、激光光表面面合金金化、、激光光气相相沉积积等。。（1）激光光表面面强化化（2）激光光表面面涂敷敷（3）激光光表面非非晶态态处理理（4）激光光表面面合金金化（5）激光光表面面气相相沉积积轴磨损损的激激光修修复轧辊轴轴头的的激光光堆焊焊五、电电子束束表面面处理理电子束束在表表面改改性方方面的的应用用起始始于上上个世世纪70年代。。电子子束表表面处处理设设备包包括高高压电电源、、电子子枪、、低真真空工工作室室、传传动机机构、、高真真空系系统和和电子子控制制系统统等。。电子束束表面面处理理的主主要特特点有有：1、电子子束聚聚焦性性极好好，可可达0.1μ，处理理面积积可调调整到到极小小，进进行精精密微微细的的局部部表面面改性性，又又因电电子束束作用用时间间极短短为10－7s，故改改性导导致的的变形形极小小。2、电子子束能能量密密度可可控且且控制制范围围大，，可适适应不不同种种类的的相变变硬化化处理理和辅辅助成成膜处处理。。由