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淄博柴油机配件-金属热处理新技术:表面改性技术的应用前景与发展趋势氮化脆性等级怎么区分的

来源:应急救援装备网  作者:蓝品汇优采云   2024-07-06 阅读:141

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表面改性技术是指采用改善表面完整性来提高材料和构件使用性能的工艺技术。由于材料和构件的失效大多发生在表面,疲劳断裂、腐蚀、摩擦磨损等性能往往与表面完整性密切相关。表面完整性是指无缺陷或表面强化的表面状态和性能,它决定了材料的性能,但取决于制造和加工工艺。热处理表面改性技术主要是指利用加热和冷却的方法改变材料的组织结构,以达到所希望的性能。

本文主要介绍了感应淬火、稀土或形变促进渗流、真空热处理、激光热处理、电子束热处理及离子束热处理等新技术的特点,并结合自身的一些研究成果展望了金属热处理新技术的应用前景及发展趋势,以达到推广新技术、推动新工艺发展的目的。

1.感应淬火

感应淬火是利用感应电流通过材料或工件时产生的热量,对材料或工件的表面、局部或全部进行加热,并迅速冷却的淬火工艺。

1.感应淬火的特点

(1)加热速度快,热效应利用率高。

(2)有使皮肤发热的作用,但全身不发热,变形小。

(3)加热时间短,与外界发生化学反应少,表面氧化、脱碳少。

(4)设备易于机械化,操作易于自动化,控制可编程。

(5)淬火层组织、深度、硬度容易控制,表面硬度较常规淬火高,缺口敏感性较低,可显著提高零件的疲劳性能和耐磨性,延长零件使用寿命。

2. 感应淬火的现状

近年来船舶柴油机配件,我国十分重视感应淬火设备的研制开发和工艺技术的应用研究,已能生产出工频、低频、中频、超音频、高频、超高频等几种不同的淬火感应设备,以便根据所要求的淬火深度选择合适的感应频率设备。

一方面,我国发展超高频设备还有一定难度,主要是因为转换效率高、性能稳定的绝缘栅双极晶体管(IGBT)大部分依赖进口(主要为德国西门子),国内最大的IGBT电源最近才达到300kW、50kHz,而国外已生产出600kW、50kHz的电源产品。

另一方面,原有的电子管高频振荡电源正逐步被(场效应管)电源和SIT(静电感应晶体管)电源所取代。国产电源可达300kW,发达国家已有500kW产品。与电子管高频振荡电源相比,SIT全固态电源具有电源体积小、效率高、控制方便、寿命长、安全性高等突出特点,具有良好的发展前景。最后值得一提的是,设备的自动化、标准化控制技术发展迅速,我国还需进一步开发软件,加强感应淬火组织及残余应力的计算机模拟分析技术研究。

3.未来发展趋势及应用前景

高能量、高频率、高效率、高精度控制是感应淬火设备未来的发展方向;淬火组织深度、硬度梯度分布特征、残余应力及性能是今后感应淬火设备与技术进一步推广应用需要解决的问题,需要产、学、研、应用单位共同突破。

应用前景比较广阔,可以应用于曲轴、车轴、齿轮等关键基础传动零件。对于形状不规则的零件,也需要良好的设计,保证淬火过程中应力集中不过大,避免淬火裂纹、组织不均匀等问题。关键是要有良好的感应淬火机设计,在科学理论指导下,采用精确的工艺参数控制,保证淬火组织的均匀性和深度,并具有一定的硬度和合适的硬度梯度分布。

2. 稀土或变形诱导渗透

稀土是我国特有的资源,我国稀土资源十分丰富,很多稀土元素都是战略资源,因此要充分发挥我国稀土资源的优势和特点,在国际热处理与表面改性领域占据自己的一席之地,有自己的研究特色。

对于金属表面的改性,稀土的添加可以显著提高元素的渗透率,改善扩散层的结构,提高扩散层的性能,表现出良好的催化效果,在钢铁热处理领域有很好的应用前景。

1. 决定稀土催化的因素

稀土的催化效果与所要渗入的材料有密切的关系,还取决于以下因素:

(1)稀土元素的化学活性。稀土元素通常与O、H、N等发生强烈反应,与O的亲和力特别强。因此,炉内气氛中存在稀土元素,有利于打断煤油等聚合物的键,活化炉气,促进渗透剂的分解过程;加速分解动力学过程,促使热分解更完全。

(2)稀土元素渗入金属表面引起的晶格畸变。由于稀土元素的原子半径比Fe原子大得多,它们的存在将引起其周围原子晶格的畸变。这种晶格畸变一方面由于C、N间隙原子在畸变区偏聚,使表面C、N浓度增大,加速了C、N原子的扩散;另一方面由于晶体缺陷对原子扩散的通道效应,促使间隙原子沿位错等缺陷快速扩散。

2.稀土催化作用

稀土的催化作用在工程上已广泛应用在渗碳、渗氮、渗硼、渗钒及各种复合渗碳中,以下举例说明其催化作用。

(1)稀土渗碳。稀土渗碳在汽车变速箱齿轮、减速器齿轮、内燃机活塞销、机床摩擦片等零件上得到了广泛的应用,在活塞销类零件的应用也取得了显著的效果。稀土渗碳的效果主要表现在:①可降低渗碳温度,缩短渗碳周期。②减少工件变形,减少工件表面积碳。③细化渗碳层晶粒尺寸,改善碳化物形貌。④使渗碳层硬度的变化更加平缓。添加稀土可使渗碳速度提高20%~30%,节电70%,降低热处理成本60%。

(2)稀土氮化。稀土催化氮化可有效提高氮化速度。在相同温度下,稀土氮化可使氮化速度提高15%~20%;当氮化温度比传统温度高10~20℃时,氮化速度可提高60%以上。稀土还可使碳氮共渗的氮化速度提高20%~50%。稀土催化氮化可使氮化物分布细小、弥散,避免氮化物沿晶界偏聚和脉状组织的形成,并可有效提高表面硬度。稀土催化氮化不仅具有催化和改善氮化层硬度和组织的作用,还有一定的离子轰击作用,使钢表面层空位和位错密度增加,加速氮原子的扩散; 同时,稀土原子也沿晶界、位错等特殊通道以较快的速度扩散到内部,起到一定的微合金化作用。

(3)稀土渗​​硼。含稀土的渗硼剂有良好的催化效果,渗硼率可提高20%~30%,尤其对低碳材料效果更佳。研究表明,稀土的加入能抑制FeB的长大,有利于Fe2B的生成。生成的Fe2B细小、直而长,形似针牙,可降低渗硼层的脆性,提高渗硼层与基体的结合强度。

(4)稀土渗钒。渗钒技术形成的碳化钒涂层在常温下稳定性好、耐磨性能优异,但传统盐浴渗钒方法一直存在设备腐蚀严重、工件变形大、表面盐层清洗困难等技术难点。采用稀土催化渗钒技术,可加速活性原子的生成,加速渗剂的分解,提高盐浴中钒电位,从而提高渗钒速度,增加渗层厚度。

此外,除了稀土能促进渗氮或渗碳过程外,机械变形引入的位错或晶粒细化所储存的能量,也能降低扩散激活能,促进扩散过程,减少热处理时间,提高生产效率和产品质量。国内学者确里柯、葛继平、齐正锋等人较早系统地研究了室温变形对45钢、45VS钢渗氮的影响。此后,人们不断进行相关研究,但最显著的是材料表面纳米化后的促渗作用,可实现低温渗渗或深渗。

3.稀土催化渗流工艺技术特点

充分利用我国稀土资源优势和变形研究特点离子氮化表面脆性,提高了热处理生产效率和产品质量,投入少,收效大,具有浓郁的中国特色。

4. 稀土催化研究现状

稀土强化渗透多年研究成果已在工程中得到应用,尤其在汽车工业中得到广泛应用。虽然变形强化渗透已研究多年,但工程应用尚不足,且效果随零件形状、尺寸及热处理炉型不同而有所差异,性能显得不稳定。

5.未来发展趋势及应用前景

稀土渗熔技术需在组织优化、渗熔层深度、硬度梯度等精确控制研究的基础上,在工业上推广应用;形变诱导渗熔技术需进一步深入系统研究,挖掘工艺技术潜力,形成成熟的形变诱导渗熔工艺特点和独特的技术优势,加强变形能、扩散激活能等基础应用理论研究,取得科学理论的重大突破,为工程实际应用奠定基础。

离子氮化表面脆性

3.真空热处理

真空热处理具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节省能源、自动化程度高、适用范围广等优点,是近年来发展较快的新型热处理技术之一,特别是在航空材料表面改性方面取得了很大进展。

最近发展起来的许多先进热处理技术,如真空高压气淬、真空化学热处理等也都需要在真空条件下实施。采用真空热处理技术可以大大提高结构材料和模具的质量和使用寿命,特别适用于一些精密零件的热处理。

1.真空热处理的发展

随着真空热处理技术的发展,我国已成功研制出真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉、真空烧结炉等真空热处理设备。工业上,真空炉的制备技术和装备水平不断提高,真空度已逐步达到国外水平。但在器件的自动控制、精细加工方面与国外还有一定差距,特别是在超高真空炉性能的稳定性方面,要求精密器件的制备水平提高。另外,测试技术和测量仪器的发展也对真空设备,特别是自动测试与控制技术有很大的影响。真空设备中的极限真空度、工作真空度、空炉抽真空时间、压力上升速率、炉温均匀性、空炉加热时间等参数的准确测量和性能指标是真空炉性能的主要体现。

在工业发达国家,真空热处理所占比重已达到20%左右,而我国目前真空热处理炉约有1200台,占热处理炉总数的1%左右,与国外相比差距较大。预计随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求越来越高,未来真空热处理将会有更大的发展。

2、真空热处理的特点

该设备一次性投资较大,但产品质量好、变形小、无污染、节能环保,对工人操作技术水平要求稍高,因真空度要求抽真空时间较长,生产效率稍低。

3.真空热处理的现状

真空热处理在国内已发展十余年,但目前仅应用于高端高品质零部件,如航空航天等军工产品的关键零部件,在民用领域应用尚少。一方面是因为设备价格高,另一方面国产零部件采用真空热处理会增加成本。除非是高附加值产品,否则人们一般不愿意进行真空热处理。

4.未来发展趋势及应用前景

未来精密零件、质量要求更高的零件都将采用真空热处理来保证表面质量和完整性。真空热处理从高端航空航天产品到高端民用产品有趋势,而且随着国家环保无污染政策的严格要求和实施,也将得到推广应用。

4.激光热处理

激光热处理功率大、加热和冷却速度快、定位精确,可以解决传统金属热处理无法解决或不易解决的技术难题。同时,激光热处理也是一种表面热处理技术,即利用激光加热金属材料表面,实现表面热处理改性。

1、激光热处理的原理及应用

激光加热具有极高的功率密度,即在单位面积的激光照射面积上集中了极高的功率。由于极高的功率密度,工件不能及时将热量传导走,导致工件在激光照射区域内被迅速加热到奥氏体化温度,实现快速加热。当激光加热结束时,由于快速加热时工件基体大体积仍保持相对较低的温度,因此可以通过工件自身的热传导使受热区域迅速冷却,从而达到淬火等热处理效果。激光淬火技术可用于各种导轨、大型齿轮、轴颈、气缸内壁、模具、减震器、摩擦轮、滚轮、滚轴类零件的表面强化。适用材料为中、高碳钢、铸铁。激光淬火铸铁发动机气缸体硬度提高,使用寿命提高2~3倍。

2、激光热处理的特点

激光相变硬化(又称表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火)、表面合金化等表面改性处理,可以产生常规表面淬火所无法达到的表面成分、组织和性能的变化。经过激光处理后,铸铁表面硬度可达60HRC以上,中碳、高碳碳钢表面硬度可达70HRC以上,从而提高耐磨性、抗疲劳性、抗腐蚀性、抗氧化性等,延长使用寿命。与高频淬火、渗碳、氮化等其他传统热处理工艺相比,激光热处理技术具有以下特点:

(1)不需要外加材料,仅仅改变被处理材料的表面结构。处理后的改性层具有足够的厚度,深度可根据需要调整,一般可达0.1~0.8mm。

(2)处理层与基体的结合强度高。激光表面处理后的改性层与基体材料之间为致密的冶金结合,处理层表面为致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。

(3)加工件变形很小。由于激光的功率密度高,作用在零件上的时间很短(2~10秒),零件的热变形区和整体变化都很小。因此,适合于高精度零件加工,作为材料和零件的最终加工步骤。

(4)加工柔性好,适用范围广。柔性导光系统可将激光任意引导至加工部位,从而可方便地加工深孔、内孔、盲孔和凹槽,并可进行选择性局部加工。

3. 其他激光表面改性技术

激光热表面处理改性技术还包括激光熔覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击强化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术等,这些技术对于改变材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等都发挥着重要作用。

(1)激光熔覆技术是目前工业上得到广泛应用的激光表面改性技术之一,具有良好的经济效益,并能大幅度提高产品的耐腐蚀性能。

(2)激光表面合金化技术是一种材料局部表面改性的新方法,是未来应用潜力最大的表面改性技术之一,适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造等行业中需要提高耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零部件。

(3)激光退火技术是半导体加工的新工艺,其效果大大优于传统的热退火。经激光退火后,杂质置换率可达98%~99%离子氮化表面脆性船舶电子与信息设备保养,可使多晶硅的电阻率降低为普通加热退火的1/3~1/2。还可大大提高集成电路的集成度,使电路元件间距缩小至0.5μm。

(4)激光冲击强化技术可以改善金属材料的力学性能,阻止裂纹的产生和扩展,提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度,提高其抗疲劳性能。在航空发动机叶片的维修中可以应用,提高其抗异物损伤和抗疲劳性能。

(5)激光增强电镀技术可提高金属的沉积速度,比无激光照射时沉积速度快1000倍。对微型开关、精密仪器零件、微电子器件及大规模集成电路的制作和修复具有重要意义。利用该技术可大大提高电镀层的结合强度。

(6)激光上釉技术在材料改性方面具有很大的发展前景。它成本低,易于控制和复制,有利于开发新材料。激光上釉与火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术相结合,在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能等方面有广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其他电工材料经激光上釉后,在测量仪器中使用十分理想。

4、激光热处理的特点

高功率、高速率加热冷却、精确定位,可获得常规热处理难以获得的组织组织、硬度和性能,具有较高的性能,具有很大的发展前景和市场潜力。

5、激光热处理的现状

激光热处理在工程项目中的推广应用受到设备一次性投入大、操作技术要求高的制约,由于材料对激光能量的吸收率还有待提高、装备研发技术水平有待提升,国内激光热处理工艺技术及装备尚处于研发阶段,仅有少数成熟工艺技术在工业上得到应用,但也亟待推广。

6. 未来发展趋势及应用前景

要加强材料对激光能量的利用率研究,提高激光能量的吸收率;对铝合金、钛合金等材料产品,还需研究不同气氛保护下的热处理效果和生产效率。另外,加大高功率、高精度、高性能装备的研发也是推动激光热处理技术在工业上应用的关键,特别是高功率、高频率、高稳定性的固体激光冲击强化装备的研发,已经严重制约和影响了我国装备实力的提升。

5.电子束热处理

离子氮化表面脆性

电子束辐照金属表面时,电子能穿透金属表面一定深度,并与基体金属的原子核和电子发生相互作用。能量传递主要靠电子束与金属表面电子的碰撞来完成,传递的能量立即以热量的形式传递给金属表面原子,使被处理金属表面温度迅速上升。与激光加热不同的是,电子束加热时,入射电子束的动能约有75%可直接转化为热能;而激光束只有极小部分能被金属表面直接吸收并转化为热能,其余部分基本全部被反射。目前,电子束加速电压已达125kV,输出功率达150kW,能量密度达103MW/m2,因此电子束加热的深度和面积比激光要大。

1、电子束热处理的分类

与激光束改性类似,电子束热处理也包括电子束退火、电子束相变硬化、电子束熔化/喷粉、激光熔覆、电子束表面合金化、电子束非晶化和晶粒细化等。

(1)电子束表面强化是用电子束轰击金属工件表面,将表面加热到相变温度以上,再经高速冷却,产生马氏体相变强化的工艺过程。电子束表面强化比较适合碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。

(2)电子束表面熔炼是用高能量密度的电子束轰击工件表面,使表面局部重熔并在冷基体作用下迅速凝固,从而细化组织,获得硬度和韧性的最佳结合。电子束表面熔炼最适用于铸铁和高碳高合金钢。

(3)电子束表面合金化,是在母材表面预先涂覆一层具有特殊性能的合金粉末,然后利用电子束轰击并加热,使母材表面的特殊合金粉末熔化,从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐腐蚀、耐热等性能的新的合金表面层。

(4)电子束熔覆是根据需要在母材表面预先涂覆一层特殊性能的合金粉末,然后通过电子束加热使合金熔化,在母材表面形成具有一定性能的涂层的工艺。

(5)电子束表面非晶化利用聚焦电子束的高能量密度和短的作用时间,在很短的时间内迅速在工件表面形成微小的熔池,并在基体和熔融表面层之间产生很大的温度梯度,使表面层的冷却速度可达104~108℃/s。使得表面层在熔化时几乎保留了液态金属的均匀性,经过高速冷却后,在材料表面形成良好的非晶层。

近年来,作者对航空钛合金的脉冲电子束改性进行了系统研究,取得了一系列研究成果。主要突破有:①利用脉冲电子束对TA2、TA15、TB6、TC4等钛合金表面进行表面纳米处理,获得10~50μm的纳米改性层,显著提高表面层的强度和硬度,提高耐磨性和抗疲劳性。②利用脉冲电子束可以显著改善表面粗糙度,可用于抛光金属件,达到镜面效果。③脉冲电子束可以净化表面,改善相结构或微观组织,提高耐腐蚀性能。④对制备的纳米材料表面层进行复合强化,可以进一步提高表面层的硬度和韧性。该领域的研究才刚刚开始探索,需要深入系统的研究,感兴趣的读者可以进一步阅读作者发表的相关文章。

2.电子束热处理的特点

(1)加热、冷却速度快。

(2)设备结构简单。

(3)能量控制简单。

(4)电子束与金属表面耦合性好,能量利用率高。

(5)加工过程中工件不受污染,质量好。

(6)电子束加热的深度和尺寸范围比激光束加热的深度和尺寸范围更大。

(7)电子束易产生X射线,使用过程中应注意放射线防护。

3.电子束热处理的现状

电子束具有高能,高能利用,没有污染,并且在国内广泛使用它们。

4.未来的发展趋势和应用前景

在技​​术研发进度和设备水平的改善方面,非常有必要通过系统地研究材料和电子束之间的相互作用机制来开发高能,高效率和清洁电子束热处理设备。

6.离子束热处理

近年来,离子束热处理的发展速度已缓慢。修改。

1.离子束热处理的特征

(1)快速加热和冷却速度。

(2)能量控制很简单。

(3)离子束与金属表面和高能利用率具有良好的耦合。

(4)处理过程中的工件在保护氛围下不容易污染,并且具有高表面质量。

2.离子束热处理的现状

离子光束具有高能,高渗水特性,并且在国内广泛使用它们。

3.未来的发展趋势和应用前景

在技​​术研发进度和设备水平的改善方面,有必要通过对材料和离子束之间的相互作用机制进行系统研究来开发高能,高效率和清洁的离子束热处理设备。

七、结论

基于对大量国内和外国文献的全面审查,尤其是关于互联网上新技术的信息,并与我自己的理解相结合,本文简要介绍了新技术的特征,例如诱导,稀有地球促进的渗透,稀有地球的渗透性,变形浸润,液相热处理,以及新的金属热处理,以及趋向的趋势。治疗技术,希望实现促进新技术并促进新过程的开发的目的,以提高中国热处理的技术水平并提高我们的热处理设备和产品质量的能力。

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