240110603马思诗表面处理技术在机械工程中的应用

表面工程技术在工程机械中的应用姓名：马思诗学号：240110603班级：K材料112摘要以带小孔的测量座为例，针对其加工精度高、淬火硬度需达55HRC的要求，鉴于普通的切削加工因某些结构和形状而受到限制，采用了“小孔处镀铜防渗碳→渗碳淬火→小孔加工”的方法，实现了在普通设备上采用常用刀具和切削手段即可满足测量座加工要求的目的。将表面处理技术应用于机加工艺中，可以解决机加工艺中的某些难题。关键词：表面处理；涂装；渗碳淬火；热处理；前言表面工程技术能使材料或零部件表面具有特殊的化学成分和组织结构，从而使零部件具备所需的特定性或功能。表面工程技术的特点是能够以多种工艺方法制备优于零件本体材质性能的表面覆层，从而使零件表面具有耐磨、耐腐蚀、润滑、耐热、抗氧化、密封、导电、绝缘、辐射和防辐射等单一或综合的性能。是“好钢用在刀刃上”的高端技术。工程机械中，大部分零部件常见的失效形式是磨损，而磨损常常发生在零件的表面。要将表面磨损失效的零件翻新再生，主要是依靠先进的表面工程技术。因此，表面工程技术是工程机械再制造业的核心技术。由于各失效产品的具体工况和失效情况不同，可采用不同的表面工程材料和工艺方法对其进行再制造。先进的表面工程技术在工程机械再制造业中的应用已产生了极大的经济效益和社会效益。1表面工程技术概述1.1表面工程技术的发展简况表面工程是将材料表面与基体作为一个系统进行设计，利用表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程［1］。资料表明，表面工程的概念始于20世纪80年代。那时在英国建立了第一个表面工程学会，1985年创办了第一份表面工程国际刊物《SURFACEENGINEERING))，并召开了第一届表面工程国际会议。1986年，“国际材料与热处理联合会”更名为“国际热处理及表面工程联合会”。1987年12月，中国机械工程学会批准成立了学会性质的中国机械工程学会表面工程研究所。1988：年11月，在北京召开了全国首届表面工程现状与未来发ExclusiveView独家视角RMCM展研讨会：同年，《表面工程》杂志创刊。2000年，“堆焊与热喷涂专业委员会”更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。表面工程形成一门独立的学科虽然只有20年左右的时间，但它是材料科学与工程中发展最为迅速的学科之一，在机械、冶金、能源与动力、电子、汽车与船舶制造、航空航天等工业领域中已有着广泛的应用，在节材、节能、高效、优质等方面更具有显著的功效。这门技术完全符合全球环保及可持续发展的循环经济战略决策，在实际运作中对国民经济的发展发挥着极为重要的作用，它将成为21世纪材料科学及其工程学中一个非常重要的研究方向。中国非常重视表面工程技术的发展、研究、开发与应用。据不完全统计，自国家“六五”计划以来，表面工程技术在各个领域的推广和应用已经取得了数百亿元的经济效益，也因此受到更多行业的关注与重视。1.2表面工程技术的作用表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种新的表面，其作用概括起来有以下几点［2］：（1）适应生产的发展，提高产品质量和经济效益；（2）为其它高新技术提供特殊材料；（3）为设备和装备的技术改造和维修提供有效手段；（4）有助于节约能源和资源；（5）装饰和美化作用。2表面工程技术在工程机械加工中的应用在机械行业的零件加工中，为夹装零件，常需制造专用的工具装备，即工装或夹具。这些工装通常应具备两个条件：一是高硬度，使其反复夹装零件时耐磨；二是满足零件定位所需的高精度。因此，工装与普通机械产品零件的加工和制造有所不同。文中以某一工装的加工过程为例，将表面处理技术应用到机加工艺中，论证了表面处理不仅可以修饰零件的最终外观，而且能够解决机加工艺中的某些难题。2.1装要求与加工思路此工装为一测量座，由本体和定位销组成，结构尺寸如图1所示，材料选用20钢，为满足耐磨需求，要求表面硬度达55—60HRC。根据硬度要求，工装本体与定位销都必须淬火。对于定位销，毛胚经车削、淬火，达到硬度要求后再磨削即可；而对于工装本体，若毛胚经车削后就加工咖3mm的孔。则热处理淬火引起的形变将影响孑L的位置和尺寸。某些形状及尺寸可在淬火后通过磨削精加工而成，但直径3mm的孔较小，不易磨削形成，且普通设备对其坐标位置也不能保证。此外，若孔留待淬火后加工。一般刀具也难以加工硬度55HRC以上的部位。在此情况下。采用表面渗碳+局部镀铜保护防渗的办法是可行的。2.2工艺过程及优点2.2.1工艺过程低碳钢经过渗碳后，其表层的碳浓度达到共析或过共析，再经淬火、低温回火后，表面具有高碳钢的性能。即高硬度和高耐磨性，而芯部仍保留低碳钢所具有的良好塑性及韧性。图l所示的工件进行热处理时。唯独3mm孔的部位无需淬硬，只要采取防渗的方法阻止碳元素在此部位渗透。就可保证淬火后此处不硬。碳和氮在铜中扩散很困难，对于局部渗碳或渗氮的工件，常用铜镀层作为防渗碳镀层。工装本体粗加工车削完成后，可在直径3mm孔部位镀铜防渗碳。本件为回转体。为防止淬火后虽有距离尺寸，但无法找到原位置，可在大致位置浅钻一小孔或敲一小坑作为标记。局部镀铜时，需保护其它部位，因需保护的范围较大，喷涂绝缘漆是比较方便的方法。喷涂前，先在直径3mm孔的部位粘贴直径6mm左右的胶带纸圆片，漆料可选用过氯乙烯可剥漆、过氯乙烯胶漆、硝基漆、氯丁橡胶可剥漆、油墨漆等[6]。喷涂的漆层晾干后，将粘贴的胶带纸轻轻揭去，即可镀铜。所需渗碳层深度为0.8～1.5mm时，镀铜层厚度应为0.02～0.03mm。若选用可剥漆，镀后可直接揭去；若选用其它漆，可用溶剂溶解清除。先局部镀铜，再进行表面渗碳淬火，可使工件表面淬硬层的硬度达到55HRC以上。当局部镀铜和热处理完成后，就可进行机械加工的精加工。对工件外圆及端面进行磨削达到精度后，在坐标镗床上找正位置，用普通钻头、铰刀即可加工直径3mm的孔，并且具有较高精度。2.2.2工艺优点针对图1工件，常用的工艺方法有：1)降低淬火硬度，采用普通的机械加工来保证精度；2)先机械加工，即预先加工一个小孔，淬火达到硬度后，采用电加工慢走丝或坐标磨床进行精加工。前者不能保证硬度，后者成本较高且设备昂贵、稀有。采用本文提出的办法，将局部镀铜保护、低碳钢表面渗碳淬火与机加工艺相结合，虽然操作步骤较多，但简单易行，使用普通设备就可以完全达到设计和使用要求。3工程机械表面处理技术现状3.1表面喷涂技术工程机械行业中应用的表面喷涂技术主要是有机高分子涂料的涂装技术，涂装技术的应用贯穿于工程机械制造的整个过程。原材料进厂后，需要进行预处理、喷涂可焊底漆或车间底漆，在不影响钢材切割、焊接性能的前提下，避免钢材在储存、加工过程中发生锈蚀。在焊接成零件后，需要涂装防锈底漆，防止后续加工、储存、装配过程的锈蚀，在零部件装配或整机装配后还要进行部件涂装和整机涂装，喷涂各色面漆，以获得良好的产品外观。目前，许多工程机械企业都在推广零部件面漆化［7］，即在零件涂装时不仅喷涂防锈底漆，还按整机涂装质量要求进行面漆涂装，产品装配后不再进行整机涂装，而只进行局部的补漆。工程机械零部件涂装根据不同板材厚度工艺差别较大，一般分为结构件涂装和薄板件涂装。结构件一般采用抛丸进行前处理，然后喷涂溶剂型涂料涂层。结构件涂装设备主要包括抛丸清理机、喷漆室、流平室、烘干室、空调送风系统、通风除尘系统、工件输送系统等［8］，涂装设备的具体参数依据所生产零部件进行定制，不同厂家各不相同。薄板件涂装采用磷化前处理，然后喷涂溶剂型涂料涂层或进行电泳涂装、粉末涂装。工程机械薄板件涂装一般由酸洗、磷化、喷漆、流平、烘干、空调送风、排风等多个系统组成［8，9］，具体参数也是依据所生产零部件进行定制。由于行业及产品特点，工程机械涂装技术水平总体不高，以传统的溶剂型涂料涂装为主，底漆一般采用高压无气喷涂或混气喷涂，面漆一般采用混气喷涂和空气喷涂。近年来，工程机械行业持续快速发展，生产规模不断扩大，工艺技术水平得到大幅提高，电泳涂装、粉末涂装逐步推广应用。目前，国内工程机械行业已有多条专业的电泳涂装生产线和粉末涂装生产线，主要应用于驾驶室、机罩等薄板件［9-12］。电泳多采用阴极电泳工艺，粉末涂装主要是采用静电喷涂。通常，电泳涂层作为底漆涂层，粉末涂层与电泳底漆配套使用，作为面漆涂层。3.2化学处理技术化学表面处理技术广泛用于工程机械的各类零部件，主要是作为涂装的前处理、防锈前处理及最终防锈、装饰处理。涂装前处理主要采用磷化，在钢铁零件表面生成的磷化膜能提高涂层与工件表面之间的附着力，因而成为涂装主要的前处理工序，尤其对电泳涂装，磷化前处理必不可少［12，13］。另外，抛丸容易导致薄板类零件工件变形，因而也只能采用磷化处理随着工程机械需求量的增加和产能的扩大，工程机械行业近年来建成了多条水平较高的专业磷化生产线，有力地推动了工程机械涂装质量的提高。磷化产生的废液对环境有一定的污染，环保处理成本也较高，因此许多企业都在积极探索无磷及其它环保的磷化替代工艺［14，15］。电镀还广泛应用于工程机械的维修和再制造中［16］。一些零部件如销轴等，由于长时间工作磨损严重，更换新的销轴成本较高且加工制造周期较长，而将旧的销轴采用电刷镀工艺进行修复，使其外型尺寸恢复到设计要求，不仅生产周期短，而且造价大大降低。工程机械再制造的推广，为电镀提供了更为宽广的用武之地。电镀产生的废水如不进行处理，会对环境造成严重污染。工程机械生产企业一般都没有电镀生产车间，电镀件一般均为外购，或将电镀工序进行外部协作，由专业的电镀企业来承担电镀件的生产或电镀工序。实际上电镀工艺技术也在不断发展，一些环保、污染较小、镀层综合性能好的电镀工艺也应在工程机械行业进行推广。3.3表面强化技术工程机械制造中用到的表面强化技术主要是抛丸强化技术和表面热处理技术，用于齿轮、轴套类传动件的表面强化，提高硬度和耐磨性。3.3.1表面抛丸技术抛丸属于表面变形强化技术，能去除表面锈蚀和氧化皮，提高机械产品和金属构件的抗疲劳性能，消除应力集中，延长其使用寿命，优化工件的表面工艺状态，因此在机械行业中得到广泛应用。在工程机械中，抛丸不仅作为齿轮、销轴类零件的表面强化工艺，还更多地作为结构件的涂装前处理工艺［17］。锥花键齿轮是工程机械传动系统的关键零件之一，尺寸精度高、制造工艺复杂。制造过程中涵盖了锻造、热处理、机械加工、抛丸4种加工工艺的十几道工序，其中在调质处理和齿面热处理后两次抛丸，后一道抛丸就是为了强化表面、消除应力。抛丸强化工艺的设备一般采用高效的自动抛丸清理机，实际生产中抛丸清理机的选择要根据具体的零件尺寸进行定制。3.3.2表面热处理技术热处理通过改变材料的组织而获得满足性能的材质状态，是工程机械转动件及连接销轴必不可少的工艺。锥花键齿轮的生产过程经过3道不同的热处理，其中最后一道是进行表面渗碳和淬火，提高表面的硬度和耐磨性能。针对工程机械中不同零件应用的要求，所用的表面热处理强化技术也不同，有渗碳、渗氮、淬火等，常用的淬火工艺有高频表面淬火、激光表面淬火等。如工程机械的传动齿轮，工作条件复杂、承载大，要求齿轮具有较高的疲劳强度，既要求工件内部具有一定的韧性，又要求表面具有一定的硬度和耐磨性。这类齿轮多采用20CrMnTi材料，为了获得满足设计和使用要求的零件，一般要求先进行气体渗碳、然后快速加热淬火、回火，使表面硬度达到HRC60以上，齿根硬化深度在1.5mm以上，齿面硬化深度在2.2～2.8mm之间，而内部组织仅需调质处理，硬度在HB269～381之间。4结语表面工程技术对于工程机械而言，有着十分重要的意义，从零件表面处理到整机涂装装饰，工程机械的生产制造离不开表面工程技术。工程机械再制造是工程机械今后发展的一个重要方向，将更广泛地应用到表面工程技术。需要指出的是，表面工程技术是一门边缘科学，无论是涂装还是电镀，都与化学工程有关，落后的工艺会造成环境污染。因此，工程机械在选用表面工程技术时，要积极选择环保的工艺和设备，并对已有的设备工