汽车零件的表面强化工艺

汽车制造工艺第八章零件的表面强化工艺主要内容第一节零件表面机械强化处理第二节化学处理第三节表面淬火处理第四节激光热处理技术第五节其他热处理工艺简介第一节零件表面机械强化处理表面机械强化处理是利用机械能使工件表面产生塑性变形，引起表面形变强化的方法，亦称为表面形变强化。有喷丸、喷砂、滚压和孔挤压等工艺。腐蚀、磨损、断裂是机器零部件的三大失效模式，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大。而断裂失效中疲劳断裂所占比例最高。汽车中的一些重要零部件，如弹簧、轴、齿轮、连杆、车轮等承受循环交变载荷，有时发生疲劳断裂失效。而表面机械强化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。第一节零件表面机械强化处理一、机械表面处理的强化原理1.表面形变强化图8-1喷丸形变硬化层结构和残余应力分布示意图图8-2喷丸强化后硬度分布一、机械表面处理的强化原理2.形成表面残余应力一、机械表面处理的强化原理3.表面形貌变化工件疲劳断裂大多从表面开始,疲劳源发生在工件表面。工件表面缺陷,如机械加工的刀痕、细裂纹及锈蚀有时就是裂纹源的滋生地。工件上存在倒角、凹槽等应力集中的位置,有时也是疲劳断裂开始的位置。表面强化可以消除或降低应力集中,特别是滚压和孔挤压还能提高表面粗糙度,因而可以显著提高工件疲劳强度,降低工件对缺陷的敏感性。第一节零件表面机械强化处理二、表面喷丸处理表面喷丸处理，也称喷丸强化，是将高速弹丸流喷射到零件表面，使表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余压应力，从而提高零件的疲劳强度和使用寿命。1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化用的设备主要有两种结构形式:气动式与机械离心式。1.喷丸强化设备及弹丸气动式喷丸机吸入式喷丸机1.喷丸强化设备及弹丸气动式喷丸机重力式喷丸机1.喷丸强化设备及弹丸气动式喷丸机直接加压式气动喷丸机1.喷丸强化设备及弹丸机械离心式抛丸机1.喷丸强化设备及弹丸内孔喷丸机1.喷丸强化设备及弹丸旋片(旋板)喷丸器1.喷丸强化设备及弹丸喷丸常用的弹丸可分为铸铁弹丸、铸钢弹丸、不锈钢弹丸、钢丝切割弹九、玻璃弹丸、陶瓷弹丸及其它非金属弹丸等。目前已有多种合成材料和矿物性材料可供选用，应用较多的是刚玉弹丸。喷丸介质的力学性能指标主要是冲击韧度和硬度。由于喷丸时弹丸高速撞击工件，弹丸必须具有较高的冲击韧度，才能避免大量破碎。显然。钢丸的冲击韧度高于铸铁丸，其中尤其以钢丝切割丸最好。弹丸的硬度与喷丸强度密切相关，它直接影响到喷丸效果。一般应在保证弹丸具有足够冲击韧度的条件下。尽量提高硬度。弹丸的大小相差也很大，可以从几微米到几毫米，应根据喷丸目的和工艺条件，按照国家标准选用。二、表面喷丸处理2.喷丸工艺喷丸后残余压应力的蜂值和延续深度体现了喷丸的效应。它与工件的材料和状态。以及喷丸时的多个工艺参数有关。喷丸的工艺参数包括：弹丸特性、弹丸流的速度和流量、喷丸时间、弹丸流对受喷面的相对位置等。生产实际中并不单独测量上述各个工艺参数，而是测定综合性的喷丸强度和表面覆盖率。目前各国均采用喷丸强度和表面覆盖率来控制和检验喷丸强化的质量。第一节零件表面机械强化处理三、表面喷砂处理1.喷砂原理及应用范围原理：喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到工件表面，由于磨料冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性。应用范围：1）工件涂镀、工件粘接前处理2）铸件、热处理后工件的表面清理3）机加工件飞边清理4）改善零件的力学性能5）光饰作用三、表面喷砂处理2.喷砂机的分类1）吸入式干喷砂机一个完整的吸入式干喷砂机一般由六个系统组成，即结构系统、介质动力系统、管路系统、除尘系统、控制系统和辅助系统。吸入式干喷砂机是以压缩空气为动力，通过气流的高速运动在喷枪内形成的负压，将磨料通过输砂管。吸入喷枪并经喷嘴射出，喷射到被加工表面，达到预期的加工目。2）压入式干喷砂机一个完整的压入式干喷砂机工作单元一般由四个系统组成，即压力罐、介质动力系统、管路系统、控制系统。压入式干喷砂机是以压缩空气为动力，通过压缩空气在压力罐内建立的工作压力，将磨料通过出砂阀。压入输砂管并经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。第二节化学处理一、化学热处理的基本原理1.分解分解是指渗剂中生成能渗入钢表面的活性原子的化学反应。它可能通过三种反应生成:分解反应如2NH3→2[N]+3H2置换反应如SiCl4+2Fe→2FeCl2+[Si]还原反应如2BF2→BF4+[B]化学反应速度除取决于反应物的本性外,还与温度、压力、浓度、催化剂有关。一、化学热处理的基本原理2.吸附吸附是活性原子(或离子)与金属原子产生键合而进入其表层的过程。固体表面的吸附作用，按其作用力性质可分为物理吸附与化学吸附。物理吸附与化学吸附常常是相伴发生的,如金属钨吸附氧,既存在化学吸附的原子状态氧,也存在物理吸附的分子状态氧。表面吸附作用与催化作用是密切不可分的,吸附作用可能促进分解过程。如用CO为气体渗碳剂时,CO分解生成活性碳原子,反应式为:2CO→CO2+[C]Fe先吸附CO中C,使C与O原子间距离增大,减弱C与O原子间结合力,使这个O原子就很容易与CO反应生成CO2。而[C]则被Fe吸附后,提高钢表面的碳浓度,为碳向内部扩散提供了浓度梯度条件。由此可见,钢表面吸附CO,对渗剂中CO的分解和碳原子的被吸附起着极其重要的作用。一、化学热处理的基本原理3.扩散扩散就是工件表面吸附的活性原子(或离子)后,其表面浓度提高,形成浓度梯度,创造了扩散条件,使渗入元素向其内部迁移形成一定厚度扩散层的过程。晶体结构对扩散系数影响较大,碳在奥氏体中扩散激活能比在铁素体中要大,这与面心立方结构奥氏体的致密度大有关。第二节化学处理二、化学热处理分类根据介质的物理形态，可分为：固体法、液体法、气体法、等离子法。根据钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态，可分为奥氏体状态渗碳碳氮共渗渗硼及硼铝共渗、硼硅共渗、硼锆共渗、硼碳复合渗、硼碳氮复合渗渗铬及铬铝共渗、铬硅共渗、铬钛共渗、铬氮共渗渗铝及铝稀土共渗、铝镍共渗渗硅渗钒、渗铌、渗钛铁素体状态渗氮氮碳共渗氧氮共渗及氧氮碳共渗渗硫硫氮共渗及硫氮碳共渗渗锌常用化学热处理方法及其作用处理方法渗入元素作用渗碳C提高工件的耐磨性、硬度及疲劳强度碳氮共渗C、N氮碳共渗提高工件的表面硬度、耐磨性、抗咬合能力及耐蚀性渗氮N渗硫S提高工件的减摩性及抗咬合能力硫氮S、N提高工件的耐磨性、减摩性及抗疲劳、抗咬合能力硫氮碳共渗S、N、C渗硼B提高工件的表面硬度、提高耐磨能力及红硬性渗硅Si提高表面硬度，提高耐蚀、抗氧化能力渗锌Zn提高工件抗大气腐蚀能力渗铝Al提高工件抗高温氧化及含硫介质中的腐蚀能力渗铬Cr提高工件抗高温氧化能力，提高耐磨及耐蚀性渗钒V提高工件表面硬度，提高耐磨及抗咬合能力硼铝共渗B、Al提高工件耐磨、耐蚀及抗高温氧化能力，表面脆性及抗剥落能力优于渗硼铬铝共渗Cr、Al具有比单一渗铬或渗铝更优的耐热性能铬铝硅共渗Cr、Al、Si提高工件的高温性能二、化学热处理分类1.渗碳渗碳是在增碳活性介质中将低碳钢或低碳合金钢加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。其目的是增加工件表层的碳含量，获得一定的碳浓度梯度。渗碳是最古老、应用最广泛的化学热处理工艺。与其他化学热处理一样，渗碳处理包括碳原子的分解、吸收和扩散三个基本过程。在渗碳温度下渗碳剂将发生分解，产生活性高、渗入能力很强的活性碳原子［C］；活性碳原子在工件表面被吸收，形成固溶体或化合物；当工件表面的碳浓度达到一定值后，碳原子从表面的高浓度区向里层的低浓度区扩散。根据渗碳剂形态不同，渗碳工艺可分为固体渗碳、气体渗碳及液体渗碳三种类型。1.渗碳（1）渗碳工艺渗碳的目的是在工件表面获得一定的表面碳浓度、一定的碳浓度梯度及一定的渗层深度。选择渗碳工艺的原则是如何以最快的速度，最经济的效果获得合乎要求的渗碳层。1）渗碳温度温度是影响扩散系数最突出的因素，增加温度，可以急剧地提高扩散系数。而且随着温度升高，碳在奥氏体中的溶解度增大。渗层随着温度升高而加深，碳浓度梯度也趋于平缓。但是，过高的温度将缩短设备的使用寿命，增加工件的变形，奥氏体晶粒也易粗大。2）渗碳保温时间在正常渗碳情况下，随着渗碳时间的延长，渗层浓度梯度变小，渗速降低。渗碳保温时间主要取决于要求获得的渗层厚度。3）碳势的影响碳势是表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面处于平衡时可使钢表面达到的碳含量。介质碳势越高，渗碳速度越快，但渗层碳浓度梯度越陡。碳势过高，还会在工件表面积碳。1.渗碳（2）渗碳前处理工艺工件渗碳前进行适当的预先热处理，可提高渗碳处理的质量，为渗碳处理做好组织准备，可以根据相关手册预备热处理工艺。工件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。当清洗尚不能保证表面质量时，可采用喷砂处理。凡工件表面不允许渗碳的部位（如螺纹、软花键轴孔等）应进行防渗处理。此外，还可采用预留加工量，渗碳缓冷后用机械加工方法切除渗层，或者用紧密固定的钢套及轴环保护不欲渗碳的部位。1.渗碳（3）气体渗碳气体渗碳工艺具有生产率高，操作方便，渗碳层容易控制以及渗碳后可以直接淬火等一系列优点，是目前用得最多的渗碳方法。气体渗碳是目前生产中应用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳的。根据所用渗碳气体的产生方法及种类，可分为滴注式气体渗碳、吸热式气氛渗碳和氮基气氛渗碳。按设备类型不同又可以分井式炉气体渗碳、密封箱式炉气体渗碳及连续式炉气体渗碳。（3）气体渗碳1）滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳一般是把含碳有机液体滴入或注入气体渗碳炉炉罐内，使之受热裂解，产生渗碳气氛，从而实现对工件的渗碳。（3）气体渗碳2）吸热式气氛渗碳以吸热式气氛为载气，添加富化气甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)等进行渗碳过程称为吸热式气氛渗碳。吸热式气氛是原料气与空气混合，在吸热式发生器内通过不完全燃烧，形成的渗碳能力较弱气体。其主要成分为CO、H2、N2及微量H2O、CO2、CH4、O2等。原料气一般用天然气、甲烷或丙烷。3）氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载气、添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。直接在工作炉内制取渗碳气体。也有把这种碳氢化物、氮气、空气等在炉中就地形成的气氛称为直接气氛。使用这种气氛可节省20%～25%的天然气；在扫气方面改用氮基气氛可以节省保护气氛的用量；另外，氮气能使炉子耐热层具有更好的绝热性能，可节约10%的加热用的天然气。因而渗碳能力弱的载气已在一定程度上被氮和氮与甲醇的混合气取代。而所需的碳则由添加的碳氢化合物提供。1.渗碳（4）固体渗碳固体渗碳是把装有工件及固体渗碳剂的渗碳箱放在炉中加热进行，主要用于单件生产、局部渗碳或返修使用。它的缺点是由于固体渗碳剂导热性较差，因而渗碳所需加热时间较长，且劳动强度较大，表面碳浓度及渗碳层深度不易控制。固体渗碳剂应具备活性高、强度高、体积收缩小、导热性好、密度小、灰分和有害杂质低、使用寿命长、经济性好及材料来源充分等特性。固体渗碳剂由供碳剂（木炭、焦炭、骨炭)、催渗剂（碱金属或碱土金属的碳酸盐）、填充剂及枯结剂所组成。为了提高渗碳速度而引进了快速加热渗碳法、真空、离子束、流态层渗碳等先进的工艺方法，它们均能提高渗碳速度和渗碳质量。1.渗碳（5）液体渗碳液体渗碳，也叫盐浴渗碳，是将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。液体渗碳工艺操作简单，加热速度快，渗碳速度快，渗碳时间短，灵活性大，并可直接淬火，适合处理小批量或局部渗碳的工件，但目前液体渗碳盐浴多数有公害，工件表面易因残盐较难彻底清除而产生腐蚀。盐浴渗碳之盐浴由渗碳剂和中性盐组成。前者主要起渗碳作用，后者起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。1.渗碳（6）渗碳后的热处理工件渗碳后，提供了表层高碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理想的性能，尚需进行适当的热处理。热处理工艺特点及应用直接淬