Tratamentul de suprafață va slăbi rezistența pieselor?

一, Scopul principal al tratamentului de suprafață este de a întări și întări în același timp.
Tratarea suprafeței nu este doar o tehnologie; scopul său principal este de a îmbunătăți performanța prin modificarea modului în care suprafețele materialelor sunt structurate și tensionate. Există două tipuri principale de tratament de suprafață în funcție de modul în care funcționează:
1. Tratament îmbunătățit: face suprafața mai dura și mai rezistentă la uzură
Întărirea prin shot peening: această metodă folosește proiectile-de mare viteză pentru a lovi suprafața și pentru a crea un strat de tensiune reziduală de compresiune care are o grosime de până la 0,5 mm. Acest lucru poate crește rezistența la oboseală cu mai mult de 200%. De exemplu, șlefuirea poate face ca durata de viață la oboseală a palelor motoarelor de aviație să dureze mai mult de 10 ^ 7 cicluri de sarcină, trecând de la 500 de ore la 1500 de ore.
Peening cu laser cu șoc: un laser de-energie ridicată creează unde de șoc cu plasmă care creează un strat de 1 mm-adâncime de efort de compresiune reziduală pe suprafață. Acest lucru face ca granulația să fie mai mică, ceea ce face ca piesele din aliaj de titan să fie de trei ori mai rezistente la oboseală.
Carburare/nitrurare: Un tratament termic chimic creează un strat de carbură sau nitrură foarte dur pe suprafață (până la 1200HV), ceea ce face suprafața mult mai rezistentă la uzură. După cementare, duritatea suprafeței angrenajelor auto a trecut de la 35HRC la 60HRC, iar durata de viață a angrenajelor a fost prelungită de cinci ori.
2. Tratament de întărire: încetinește răspândirea fisurilor
Laminare la suprafață: prin rularea unei role peste suprafață, imperfecțiunile de prelucrare sunt îndepărtate și se creează tensiuni de compresiune reziduale. Acest lucru încetinește rata la care fisurile se răspândesc în piesele din aliaj de aluminiu cu 60%.
Întărirea prin transformare de fază: Pentru materiale precum ceramica din zirconiu, sablare face ca suprafața să se schimbe de la faza t la faza m. Efortul de compresiune din expansiunea volumului este apoi folosit pentru a combate forța care provoacă răspândirea fisurilor, ceea ce face ca rezistența la încovoiere să crească cu 15% până la 20%.
Concluzie cheie: Tratamentul de suprafață proiectat științific poate face piesele mult mai puternice în loc să fie mai slabe prin utilizarea unor metode precum stresul de compresiune reziduală, rafinarea cerealelor și întărirea prin transformare de fază.
2, Pericolul unei măiestrii proaste: punctul cheie între îmbunătățirea rezistenței și înrăutățirea performanței
Tratarea suprafeței poate face lucrurile mai puternice, dar dacă parametrii procesului nu sunt reglementați sau materialele nu funcționează bine împreună, rezistența poate scădea efectiv. Acest lucru se datorează în principal următoarelor trei mecanisme:
1. Prea multă întărire face ca lucrurile să se spargă ușor.
O companie a folosit prea mult tratament de cementare la temperatură pe supapele din oțel inoxidabil pentru a le face mai rezistente la uzură. Acest lucru a făcut ca stratul de carbură de pe suprafață să fie mai gros de 0,8 mm, iar carburile s-au acumulat la granițele granulelor, ceea ce a cauzat fisuri și a făcut ca supapa să eșueze la începutul testării presiunii.
Mecanism: Când duritatea suprafeței este mai mare decât limita de duritate a materialului de miez, este posibil ca fisurile să se răspândească de la stratul dur, fragil la miezul moale. Acesta se numește un mod de eșec „dur și fragil”.
2. Tensiunea reziduală de întindere accelerează debutul fisurilor.
Caz: Tratamentul necorespunzător de galvanizare a cauzat acumularea de tensiuni reziduale de tracțiune la contactul dintre acoperire și substratul unui anumit arbore cutie de viteze a mașinii. Densitatea fisurii a crescut de trei ori atunci când proba a fost supusă solicitărilor alternative.
Mecanism: Dacă galvanizarea, placarea chimică și alte procese nu țin sub control starea de stres a acoperirii, se poate adăuga tensiune de tracțiune pentru a echilibra efectul de întărire al tensiunii de compresiune a suprafeței.
3. Deteriorarea suprafeței provoacă acumularea de stres.
După ce au fost sablate la presiune mare, pe suprafața implanturilor ceramice din zirconiu au apărut microfisuri. În testele simulate de mestecare, rata de propagare a fisurilor a fost de două ori mai rapidă decât cea a probelor netratate. Aceasta a însemnat că pericolul fracturii precoce în utilizarea clinică a fost mult mai mare.
Mecanism: Dacă setările pentru tratamente mecanice, cum ar fi sablare și șlefuire, sunt greșite (de exemplu, dacă presiunea este prea mare sau particulele abrazive sunt prea mici), suprafața poate fi deteriorată mai adânc decât stratul de presiune de compresiune, ceea ce poate provoca o fractură.
Principalul punct este că efectul negativ al tratamentului de suprafață asupra rezistenței este cauzat de prelucrarea proastă, nu de tehnica în sine. Pentru a elimina riscurile, ar trebui să optimizați parametrii și calitatea testelor.
3, Proprietățile materialelor și adaptabilitatea procesului: ideea principală din spatele optimizării rezistenței
Atributele fizice ale diferitelor materiale, cum ar fi cât de dure sau dure sunt și modul în care își schimbă fazele, afectează direct modul în care alegeți și configurați tehnicile de tratare a suprafeței. Următoarele sunt modalități comune de modificare a materialelor:
1. Materiale metalice: echilibrarea tensiunii reziduale la compresiune și a durității
Aliaj de titan: Shot peening (cu un diametru de 0,6 mm și o presiune de 0,4 MPa) este primul pas pentru a evita zgârierea suprafeței cu abrazivi aspru, cum ar fi carbura de siliciu. După procesare, este necesară spălarea cu acid pentru a scăpa de orice abrazivi care sunt blocați în suprafață.
Aliaj de aluminiu: Pentru a crea stres de compresiune reziduală fără a face suprafața prea aspră sau a reduce rezistența la oboseală, sablare cu granule de sticlă (cu o dimensiune a particulelor de 120 mesh și o presiune de 0,3 MPa) este utilizată în combinație cu anodizarea.
Oțel inoxidabil: folosind nitrurare la temperatură joasă-(520 de grade) și sablare din oțel inoxidabil (dimensiunea particulelor 80 ochiuri, presiune 0,5 MPa) pentru a echilibra duritatea suprafeței și rezistența la coroziune.
2. Materiale ceramice: întărire prin schimbarea fazei și controlul deteriorării
Ceramica din zirconiu: presiunea sablare trebuie să fie mai mică de 0,25 MPa și timpul să fie mai mic de 20 de secunde. Acest lucru va împiedica adâncimea deteriorării suprafeței să fie mai mare decât grosimea stratului de presiune de compresiune (aproximativ 50 μm). În mod alternativ, gravarea cu laser cu o densitate de energie scăzută (mai mică sau egală cu 5J/cm²) poate fi utilizată pentru a preveni fisurarea termică.
Ceramica cu nitrură de siliciu: Pentru a face o structură microporoasă, gravarea chimică (acid amestecat HF+HNO3) este cea mai bună metodă. Pentru a îmbunătăți rezistența adezivă fără a provoca deteriorări mecanice, se utilizează blocarea mecanică.
3. Materiale compozite: întărirea contactului și oprirea delaminării
Pulverizarea cu plasmă (putere de 5 kW, debit de argon de 30 l/min) este utilizată pentru a realiza un strat de tranziție metalic pe suprafața materialului compozit armat cu fibră de carbon. Acest lucru face ca stratul să se lipească mai bine și previne ruperea fibrelor atunci când sunt sablate direct.
Placarea cu laser (putere 2kW, viteza de scanare 10mm/s) depune acoperiri rezistente la uzură-pe suprafața materialelor compozite pe bază de metal-. Aportul de căldură este gestionat cu atenție pentru a împiedica separarea substratului și a fazei de armare.
Principalul punct este că calitățile materialului dictează cât de adaptabil este procesul, iar baza de date „Material Process Performance” ar trebui utilizată pentru a ghida proiectarea parametrilor. De exemplu, „Specificația procesului de tratare a suprafeței” (GJB 5098-2008) a stabilit fereastra de proces pentru diferite materiale din zona aviației.