Wird die Festigkeit der Teile durch eine Oberflächenbehandlung geschwächt?

一, Der Hauptzweck der Oberflächenbehandlung besteht darin, sie gleichzeitig zu stärken und zu härten.
Die Oberflächenbehandlung ist nicht nur eine Technologie; Sein Hauptzweck besteht darin, die Leistung zu verbessern, indem die Art und Weise verändert wird, wie die Oberflächen von Materialien strukturiert und beansprucht werden. Je nach Wirkungsweise gibt es zwei Hauptarten der Oberflächenbehandlung:
1. Verbesserte Behandlung: Macht die Oberfläche härter und widerstandsfähiger gegen Abnutzung
Verfestigung durch Kugelstrahlen: Bei dieser Methode treffen Hochgeschwindigkeitsprojektile auf die Oberfläche und erzeugen eine bis zu 0,5 mm dicke Restdruckspannungsschicht. Dadurch kann die Dauerfestigkeit um mehr als 200 % gesteigert werden. Beispielsweise kann durch Kugelstrahlen die Ermüdungslebensdauer von Flugzeugtriebwerksschaufeln auf mehr als 10 ^ 7 Lastzyklen erhöht werden, d. h. von 500 Stunden auf 1500 Stunden.
Laserschockstrahlen: Ein Hochenergielaser erzeugt Plasmaschockwellen, die eine 1 mm-tiefe Schicht restlicher Druckspannung auf der Oberfläche erzeugen. Dadurch wird die Korngröße kleiner, was die Ermüdungsfestigkeit von Titanlegierungsteilen um das Dreifache erhöht.
Aufkohlen/Nitrieren: Durch eine chemische Wärmebehandlung entsteht eine sehr harte Karbid- oder Nitridschicht auf der Oberfläche (bis zu 1200 HV), die die Oberfläche deutlich widerstandsfähiger gegen Verschleiß macht. Nach dem Aufkohlen stieg die Härte der Oberfläche von Automobilzahnrädern von 35 HRC auf 60 HRC und die Lebensdauer der Zahnräder wurde um das Fünffache verlängert.
2. Härtebehandlung: Verlangsamt die Ausbreitung von Rissen
Oberflächenwalzen: Durch das Abrollen einer Walze über die Oberfläche werden Bearbeitungsfehler beseitigt und es entsteht eine Druckeigenspannung. Dadurch wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen in Aluminiumlegierungsteilen um 60 % verlangsamt.
Härtung durch Phasenumwandlung: Bei Materialien wie Zirkonoxidkeramik führt Sandstrahlen dazu, dass die Oberfläche von der t-Phase in die m-Phase wechselt. Die Druckspannung aus der Volumenausdehnung wird dann genutzt, um der Kraft entgegenzuwirken, die zur Rissausbreitung führt, wodurch die Biegefestigkeit um 15 bis 20 % steigt.
Wichtigste Schlussfolgerung: Eine wissenschaftlich konzipierte Oberflächenbehandlung kann Teile viel stärker statt schwächer machen, indem Methoden wie Restdruckspannung, Kornverfeinerung und Phasenumwandlungshärtung eingesetzt werden.
2, Die Gefahr schlechter Handwerkskunst: Der entscheidende Punkt zwischen der Verbesserung der Kraft und der Verschlechterung der Leistung
Durch eine Oberflächenbehandlung kann die Festigkeit erhöht werden. Wenn die Prozessparameter jedoch nicht reguliert werden oder die Materialien nicht gut zusammenarbeiten, kann die Festigkeit tatsächlich sinken. Dies ist vor allem auf die folgenden drei Mechanismen zurückzuführen:
1. Zu starkes Härten führt dazu, dass Dinge leicht kaputt gehen.
Ein Unternehmen hat bei Edelstahlventilen eine zu starke Temperaturaufkohlungsbehandlung durchgeführt, um sie verschleißfester zu machen. Dadurch wurde die Karbidschicht auf der Oberfläche dicker als 0,8 mm und die Karbide lagerten sich an den Korngrenzen ab, was zu Rissen führte und dazu führte, dass das Ventil bei der Druckprüfung frühzeitig versagte.
Mechanismus: Wenn die Oberflächenhärte höher ist als die Zähigkeitsgrenze des Kernmaterials, ist es wahrscheinlich, dass sich Risse von der harten, spröden Schicht zum weichen Kern ausbreiten. Dies wird als „harter und spröder“ Versagensmodus bezeichnet.
2. Zugeigenspannungen beschleunigen die Rissbildung.
Fallbeispiel: Eine unsachgemäße Galvanisierungsbehandlung führte dazu, dass sich am Kontakt zwischen der Beschichtung und dem Substrat einer bestimmten Getriebewelle eines Autos eine Restzugspannung aufbaute. Bei Wechselbeanspruchung der Probe stieg die Rissdichte um das Dreifache an.
Mechanismus: Wenn Galvanisieren, chemisches Plattieren und andere Verfahren den Spannungszustand der Beschichtung nicht unter Kontrolle halten, kann eine Zugspannung hinzugefügt werden, um den verstärkenden Effekt der Oberflächendruckspannung auszugleichen.
3. Schäden an der Oberfläche führen zum Aufbau von Spannungen.
Nach dem Sandstrahlen mit hohem Druck traten Mikrorisse auf der Oberfläche von Zirkonoxid-Keramikimplantaten auf. Bei simulierten Kauversuchen war die Rissausbreitungsrate doppelt so schnell wie bei unbehandelten Proben. Dies bedeutete, dass die Gefahr eines frühen Bruchs im klinischen Einsatz deutlich höher war.
Mechanismus: Wenn die Einstellungen für mechanische Behandlungen wie Sandstrahlen und Schleifen falsch sind (z. B. wenn der Druck zu hoch ist oder die Schleifpartikel zu klein sind), kann die Oberfläche tiefer als die Druckspannungsschicht beschädigt werden, was zu einem Bruch führen kann.
Der Hauptpunkt ist, dass der negative Effekt der Oberflächenbehandlung auf die Festigkeit durch eine schlechte Verarbeitung und nicht durch die Technik selbst verursacht wird. Um Risiken auszuschließen, sollten Sie Parameter und Testqualität optimieren.
3, Materialeigenschaften und Prozessanpassungsfähigkeit: die Hauptidee hinter der Festigkeitsoptimierung
Die physikalischen Eigenschaften verschiedener Materialien, wie z. B. wie hart oder zäh sie sind und wie sie ihre Phasen ändern, wirken sich direkt darauf aus, wie Sie Oberflächenbehandlungstechniken auswählen und einrichten. Die folgenden Methoden sind gängige Methoden zum Ändern von Materialien:
1. Metallische Werkstoffe: Ausgleich von Druckeigenspannung und Härte
Titanlegierung: Kugelstrahlen (mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einem Druck von 0,4 MPa) ist der erste Schritt, um ein Verkratzen der Oberfläche durch scharfe Schleifmittel wie Siliziumkarbid zu vermeiden. Nach der Verarbeitung ist eine Säurewäsche erforderlich, um eventuell in der Oberfläche festsitzende Schleifmittel zu entfernen.
Aluminiumlegierung: Um eine Restdruckspannung zu erzeugen, ohne die Oberfläche zu rau zu machen oder ihre Ermüdungsfestigkeit zu verringern, wird Glasperlensandstrahlen (mit einer Partikelgröße von 120 Mesh und einem Druck von 0,3 MPa) in Kombination mit Eloxieren verwendet.
Edelstahl: Verwendung von Niedrigtemperaturnitrierung (520 Grad) und Edelstahl-Kugelstrahlen (Partikelgröße 80 Mesh, Druck 0,5 MPa), um Oberflächenhärte und Korrosionsbeständigkeit auszugleichen.
2. Keramische Werkstoffe: Härtung durch Phasenwechsel und Schadensbegrenzung
Zirkonoxidkeramik: Der Sandstrahldruck sollte weniger als 0,25 MPa betragen und die Zeit sollte weniger als 20 Sekunden betragen. Dadurch wird verhindert, dass die Tiefe der Oberflächenschädigung größer wird als die Dicke der Druckspannungsschicht (ca. 50 μm). Alternativ kann Laserätzen mit einer niedrigen Energiedichte (weniger als oder gleich 5 J/cm²) verwendet werden, um thermische Risse zu verhindern.
Siliziumnitridkeramik: Zur Herstellung einer mikroporösen Struktur ist chemisches Ätzen (HF+HNO3-Mischsäure) die beste Methode. Um die Haftfestigkeit zu verbessern, ohne mechanische Schäden zu verursachen, wird eine mechanische Verriegelung eingesetzt.
3. Verbundwerkstoffe: Verstärkung des Kontakts und Verhinderung der Delamination
Plasmaspritzen (5 kW Leistung, 30 l/min Argondurchfluss) wird verwendet, um eine Metallübergangsschicht auf der Oberfläche eines kohlenstofffaserverstärkten Verbundmaterials zu erzeugen. Dadurch haftet die Beschichtung besser und es wird verhindert, dass Fasern beim direkten Sandstrahlen brechen.
Beim Laserauftragschweißen (Leistung 2 kW, Scangeschwindigkeit 10 mm/s) werden verschleißfeste Beschichtungen auf der Oberfläche von Verbundwerkstoffen auf Metallbasis aufgetragen. Der Wärmeeintrag wird sorgfältig gesteuert, um eine Trennung von Substrat und Verstärkungsphase zu verhindern.
Der Hauptpunkt ist, dass die Eigenschaften des Materials bestimmen, wie anpassungsfähig der Prozess ist, und dass die Datenbank „Material Process Performance“ als Leitfaden für das Parameterdesign verwendet werden sollte. Beispielsweise legt die „Surface Treatment Process Specification“ (GJB 5098-2008) das Prozessfenster für verschiedene Materialien im Luftfahrtbereich fest.