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第九章表面工程概论

第一节概述

一、表面工程的概念

20世纪80年代初,在英国,首先提出了表面工程(Surface Engineering)这个术
语。1983年英国伯明翰大学沃福俄森表面工程研究所成立,1985年(Surface
Engineering )杂志在伦敦创刊,同年在英国召开了首届表面工程国际会议,这些都
标志着表面工程这门新兴学科的建立。
表面工程与摩擦学有着十分密切的关系,它们相互联系和相互渗透,但又具有各
自不同的研究对象和研究内容。与摩擦学相类似,它也是在某些传统学科(如传统
的表面处理技术等)的基础上迅速发展起来的一门交叉学科,它涉及到材料学、冶
金学、化学、电子学和近代物理学等多种学科。而且它本身也仍在不断地发展,是
近十几年来发展最快的新兴学科之一。
表面工程是研究改善零件的表面性能(包括表层的材料成分、组织结构、表面
形态、物理性能及摩擦学性能)、提高其表面质量以及延长其使用寿命的各种物
理、化学或机械的工艺方法的一门应用科学与技术,也称表面处理技术,或表面技
术,或表面强化技术。作为一门科学技术,它的工作对象是固体的表面,它的基本工
作内容是表面处理、表面涂敷、表面改性及表面加工等。
二、表面工程的分类

目前,表面工程的种类繁多,按其工艺技术的基本原理,大体上可归
纳为以下三种类型。

这种工艺方法不改变零件表面的化学成分,只改变其表面的几何
形貌或显微组织结构。前者如喷丸、滚压、挤压等;后者如各种表面
淬火。

扩散处理表面强化工艺是通过表面渗人或注人某些元素,或同时
进行热处理,以改变表面的化学成分。例如各种化学热处理方法。

涂覆强化工艺是在零件表面涂覆一层具有特殊性能的覆羞层。
它包括:表面冶金涂层,如热喷涂;表面合金化,如激光处理、气相沉
积、电刷镀、仆浮镀以及气相传输自蔓延高温合成涂层等。
将以上各种工艺复合使用,可形成复合强化工艺,如度渗技术
(即度覆后再进行热扩散处理,以增强镀层与基体的结合强度)、
激光照射等离子涂层以及用的离子物理气相沉积法形成类金刚石
膜。复合强化工艺是当今表面工程中研究的热点之一。
三、表面工程的优点
表面工程的主要特点是:可以根据零件的使用要求和工况条件,
采用合适的工艺方法,使零件工作表面获得最合理的表层,以最大限
度地满足该零件既有最优的使用性能又有最佳的经济性的综合要
求。它一般具有以下优点:
(1)可获得基体材料很难甚至无法达到的使用性能。
(2)可与基体材料组成具有不同性能的复合材料,使整个零件具
有优良的综合性能。
(3)在确保表面质量的前提下,可以大大节省优质的贵重材料或
稀缺材料。
(4)应用范围广,可以用于制造功能性器件,修复失效的零件及对
零件表面进行装饰等。
目前,各种表面工程巳成为机械、电子、汽车、航空、航天、纺
织、铁路及交通等许多工业部门的关键技术,可以预期,表面工程将
成为主导21世纪工业发展的关键技术之一。
第二节喷丸强化技术
一、概述
喷丸强化技术是用于提高金属零件的疲劳和应力腐蚀断裂强度的一种表面强
化工艺。它产生于本世纪20年代,首先在汽车工业中应用。60年代后,在航空工业
中获得广泛的应用,目前是形变强化技术中应用最广泛的一种工艺技术。它的特点
是:设备简单,操作方便,适应性广,生产率高,成本低,能耗少。凡须改善抗疲劳和抗
应力腐蚀性能的零件,均可采用这种工艺技术。例如:内燃机的曲轴和连杆,燃气轮
机和汽轮机的叶片,以及各种齿轮、链条和弹簧等。
二、喷丸强化工艺
这种工艺方法是通过高速( 或更高)运动的弹丸冲击零件表面,使
其形成塑性变形的硬化层(塑变层)而实现强化,可以显著地提高零件表面的疲劳强
度和应力腐蚀疲劳强度。通常,采用嗅丸机来完成喷丸强化的主要工艺过程。
喷丸机有机械离心式(图9—1)和压缩空气式(图9—2)两种。前者适用于品种
少、批量大、尺寸大、形状简单以及喷丸强度较低的零件,而后者正好相反。
强化(不是表面清理)用的弹丸一般可采用以下三种不同的材料:
(1)铸铁弹丸( )。这种材料易破碎,耗损较大,价格低,目前较少
使用。
(2)钢弹丸(包括铸钢丸和不锈钢丸, )。其强度高、耗损小,
虽然它的价格较高,但其使用费用却比俦铁弹丸低很多。
(3)玻璃弹丸( ),主要用于航空工业部门。
对于黑色金属制品,可采用以上3种弹丸;有色金属和不锈钢制品则宜采用不锈
钢丸或玻璃丸。强化用的弹丸不同于清理、成型、改形用的弹丸,它必须是圆球
形(或椭球形)、实心、无棱角,同时应具有一定的硬度( )和冲击韧
性,一般硬度越高,强化效果越好。
弹丸强化的工艺参数有:弹丸的硬度及尺寸,