表面強(qiáng)化技術(shù)改善機(jī)械零部件使用壽命的重要作用分析

摘 要：文章首先簡(jiǎn)要闡述了表面強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)及分類(lèi)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)表面強(qiáng)化技術(shù)改善機(jī)械零部件使用壽命的作用進(jìn)行論述。期望通過(guò)文章的研究能夠?qū)μ岣邫C(jī)械零部件的使用壽命有所幫助。

關(guān)鍵詞：表面強(qiáng)化技術(shù)；滲氮；機(jī)械零部件；使用壽命

1 表面強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)及分類(lèi)

表面強(qiáng)化技術(shù)是指采用某一種工藝使機(jī)械零部件的表面獲得與基體材質(zhì)不同的組織結(jié)構(gòu)及性能的一種技術(shù)。該技術(shù)最為顯著的特點(diǎn)是能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)機(jī)械零部件的使用壽命，同時(shí)還能節(jié)約稀有材料的用量。表面強(qiáng)化技術(shù)的具體分類(lèi)如下：金屬表面形變強(qiáng)化、表面淬火、熱擴(kuò)滲技術(shù)、表面化學(xué)熱處理技術(shù)、激光表面強(qiáng)化、熱噴涂表面強(qiáng)化等。

1.1 金屬表面形變強(qiáng)化

該技術(shù)具體是指借助滾壓、噴丸、錘擊、擠壓等機(jī)械手段，在金屬的表面上產(chǎn)生壓縮變形，從而使金屬表面形成形變硬化層，通常情況下，該硬化層的深度能夠達(dá)到0.15-1.5mm，并且會(huì)產(chǎn)生以下兩種變化：一種是組織結(jié)構(gòu)的變化，即壓晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加；另一種是形成了較高的殘余應(yīng)力。

1.2 表面淬火技術(shù)

通過(guò)快速加熱的方法，將鋼材質(zhì)部件的表面迅速加熱至相變溫度以上，進(jìn)而使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨后再讓部件表面快速冷卻，形成馬氏體組織的硬化層。該技術(shù)適用于以下幾種材料的表面強(qiáng)化：中高碳鋼、普通球磨鑄鐵、合金鑄鐵以及可鍛造鑄鐵等。通過(guò)對(duì)金屬表面進(jìn)行淬火處理后，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)表面硬度和耐磨性。

1.3 熱擴(kuò)滲技術(shù)

將需要進(jìn)行表面強(qiáng)化的工件置于特殊的介質(zhì)中進(jìn)行加熱處理，讓介質(zhì)中某種或是某幾種元素滲入到工件表面，由此形成合金層，即熱擴(kuò)滲層。由于滲層與基體金屬間為冶金結(jié)合，故此結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較高，能夠顯著提升工件的抗磨性、耐腐蝕性以及抗高溫氧化性。該技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛。

1.4 表面化學(xué)熱處理技術(shù)

該技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)PDT，也被稱(chēng)之為等離子體擴(kuò)滲技術(shù)，具體是指利用低真空當(dāng)中的氣體輝光放電所產(chǎn)生的離子對(duì)待強(qiáng)化工件的表面進(jìn)行轟擊，改變表面的組織結(jié)構(gòu)、成分及性能，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化表面的目的。通過(guò)離子轟擊可以將工件表面的氧化膜及雜質(zhì)去除掉，有助于工件表面活性的提升，同時(shí)還能降低化學(xué)反應(yīng)溫度，對(duì)環(huán)境基本不會(huì)造成污染，屬于環(huán)境友好型技術(shù)。

1.5 激光表面強(qiáng)化技術(shù)

該技術(shù)是在被處理工件的表面形成一定厚度的處理層，經(jīng)過(guò)處理后的工件不但耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性可以獲得顯著提升，而且物理力學(xué)性能也會(huì)隨之得到改善。由于該技術(shù)是采用激光束對(duì)工作進(jìn)行處理，故此其輸入的熱量較少，熱變形也相對(duì)較小，同時(shí)能量密度較高，可進(jìn)一步縮短處理時(shí)間。整個(gè)工藝過(guò)程既不要在真空的環(huán)境下進(jìn)行，也不存在化學(xué)污染。

2 表面強(qiáng)化技術(shù)改善機(jī)械零部件使用壽命的作用

文章重點(diǎn)研究的是改善機(jī)械零部件的使用壽命，故此從上述諸多技術(shù)中選取表面化學(xué)熱處理技術(shù)，并以該技術(shù)中較具代表性的脈沖直流快速深層離子滲氮工藝，對(duì)機(jī)械零部件中的乙烯裂解氣壓縮機(jī)組軸尺寸進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。通過(guò)離子滲氮對(duì)齒輪硬度和磨損性能的影響，分析其在改善機(jī)械零部件零部件使用壽命方面的作用。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次實(shí)驗(yàn)中選用的齒輪為離心式壓縮機(jī)的軸齒輪，其材質(zhì)為35CrMoV鋼，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為脈沖離子滲氮爐，具體的實(shí)驗(yàn)方法如下：首先將齒輪試樣放入到滲氮爐當(dāng)中，然后通入氨氣，進(jìn)行滲氮處理，溫度控制在510攝氏度左右，時(shí)間分別為10h、15h和20h，滲氮完畢后將爐子冷卻至室溫；采用金相顯微鏡對(duì)滲氮層的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察，并通過(guò)X射線(xiàn)衍射儀分析滲氮試樣的物相，同時(shí)對(duì)滲氮表面的氮化物進(jìn)行物相標(biāo)定；使用電子探針?lè)治鰞x對(duì)滲氮層當(dāng)中的氮元素和碳元素的分布情況進(jìn)行掃描分析，再用顯微硬度計(jì)對(duì)滲氮試樣的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量；以硬度法對(duì)滲氮層的深度進(jìn)行測(cè)定；最后采用微摩擦多功能測(cè)試儀對(duì)試樣進(jìn)行干摩擦實(shí)驗(yàn)，使用掃描電鏡對(duì)試樣的摩痕形貌進(jìn)行觀(guān)察，并對(duì)試樣的耐磨損性能進(jìn)行評(píng)定。

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 滲氮層的金相組織。由試驗(yàn)結(jié)果可知，35CrMoV鋼的晶粒較為細(xì)小，組織的均勻較好。經(jīng)滲氮處理之后，試樣的滲氮層由擴(kuò)散層和化合物層組成，前者的顯微組織為針狀和條狀的Fe-N化合物，以彌散的狀態(tài)分布在基體上；后者則是由Fe-N化合物組成，其具有良好的耐腐蝕性，均勻分布于試樣表面，并與擴(kuò)散層有著十分明顯的界限，該層的厚度會(huì)隨著滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

2.2.2 滲氮層的硬度。由35CrMoV鋼的基本參數(shù)可知，其表面硬度為380.1HK0.025，在510攝氏度的條件下，經(jīng)過(guò)滲氮處理后，其表面硬度達(dá)到了650HK0.025以上，硬度大幅度提升。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，N元素從表面逐步向集體擴(kuò)散，進(jìn)而形成彌散狀態(tài)的氮化物強(qiáng)化相，這是滲氮層顯微硬度提升的主要原因。隨著滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)，N元素的擴(kuò)散深度也隨之不斷增加，擴(kuò)散量相應(yīng)增大，氮化物數(shù)量也有所增加。

2.2.3 滲氮層的磨損性能。試樣在磨損的初始階段，其與鋼球之間的摩擦因素相對(duì)較低，僅為0.1左右，此時(shí)試樣處于微磨損階段，隨著磨損的反復(fù)進(jìn)行，摩擦因素隨之增大至0.4左右，并在0.4-0.5的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，且呈現(xiàn)出緩慢上升的態(tài)勢(shì)，最終試樣與鋼球之間的摩擦因素穩(wěn)定在0.7。經(jīng)滲氮處理之后的試樣微磨損階段的時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，且隨著滲氮時(shí)間的增加，微磨損階段也隨之延長(zhǎng)。圖1中的a、b、c分別為滲氮時(shí)間10h、15h、20h的試樣金相組織。

圖1 試件滲氮的金相組織

試件10h、15h、20h的微磨損階段時(shí)間分別為160s、320s和475s。由此表明，隨著滲氮時(shí)間的增加，可以使試樣的微磨損階段有效延長(zhǎng)，耐磨性能顯著提升。經(jīng)過(guò)滲氮處理之后的試樣耐腐蝕性、硬度和耐磨性能均獲得了顯著改善，這在一定程度上延長(zhǎng)了其使用壽命。為此，通過(guò)滲氮處理技術(shù)，能夠達(dá)到改善機(jī)械零部件使用壽命的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章在對(duì)表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，以其中的滲氮處理技術(shù)為依托，對(duì)軸齒輪作為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)的方法，分析了滲氮處理對(duì)齒輪性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)滲氮處理后，齒輪的耐腐蝕性、硬度和耐磨性能均有大幅度度提升，其使用壽命也隨之延長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)于改善機(jī)械零部件使用壽命方面具有一定的作用。

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作者簡(jiǎn)介：姚世林（1962-），男，漢族，福建省福州市，工程師，機(jī)械制造工藝及其裝備專(zhuān)業(yè)學(xué)士，研究方向：機(jī)械制造。