การรักษาพื้นผิวจะทำให้ความแข็งแรงของชิ้นส่วนลดลงหรือไม่?

一 วัตถุประสงค์หลักของการรักษาพื้นผิวคือการเสริมสร้างและแกร่งในเวลาเดียวกัน
การรักษาพื้นผิวไม่ใช่แค่เทคโนโลยีเดียวเท่านั้น วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการปรับเปลี่ยนวิธีการจัดโครงสร้างและความเค้นพื้นผิวของวัสดุ การรักษาพื้นผิวมีสองประเภทหลักตามวิธีการทำงาน:
1. การปรับปรุงการรักษา: ทำให้พื้นผิวแข็งขึ้นและทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น
การเสริมกำลังการขัดด้วยการยิง: วิธีนี้ใช้กระสุนความเร็วสูง-เพื่อกระทบพื้นผิวและสร้างชั้นความเค้นอัดที่เหลือซึ่งมีความหนาสูงสุด 0.5 มม. ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงเมื่อยล้าได้มากกว่า 200% ตัวอย่างเช่น การขัดผิวแบบ shot peening อาจทำให้อายุการใช้งานความล้าของใบพัดเครื่องยนต์การบินมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 10 ^ 7 รอบของการโหลด จาก 500 ชั่วโมงถึง 1,500 ชั่วโมง
การลอกด้วยแรงกระแทกด้วยเลเซอร์: เลเซอร์พลังงานสูง-สร้างคลื่นกระแทกในพลาสมาซึ่งสร้างชั้นลึก 1 มม.-ของความเค้นอัดที่ตกค้างบนพื้นผิว ทำให้ขนาดเกรนเล็กลง ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนไททาเนียมอัลลอยด์ทนทานต่อความล้าได้มากขึ้นถึงสามเท่า
คาร์บูไรซิ่ง/ไนไตรด์: การใช้ความร้อนด้วยสารเคมีจะสร้างชั้นคาร์ไบด์หรือไนไตรด์ที่แข็งมากบนพื้นผิว (สูงถึง 1200HV) ซึ่งทำให้พื้นผิวทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น หลังจากคาร์บูไรซิ่ง ความแข็งของพื้นผิวเกียร์รถยนต์ก็เพิ่มขึ้นจาก 35HRC เป็น 60HRC และอายุการใช้งานของเกียร์ก็ขยายออกไปห้าเท่า
2. การรักษาแบบแกร่ง: ชะลอการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว
การกลิ้งพื้นผิว: โดยการกลิ้งลูกกลิ้งบนพื้นผิว ข้อบกพร่องในการประมวลผลจะถูกลบออก และสร้างแรงอัดที่ตกค้าง ซึ่งจะช่วยชะลออัตราการแตกกระจายในชิ้นส่วนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ได้ 60%
การเพิ่มความแกร่งในการเปลี่ยนเฟส: สำหรับวัสดุ เช่น เซรามิกเซอร์โคเนีย การพ่นทรายจะทำให้พื้นผิวเปลี่ยนจากเฟส t เป็นเฟส m ความเค้นอัดจากการขยายปริมาตรจะถูกนำมาใช้ต่อสู้กับแรงที่ทำให้รอยแตกร้าวกระจายออกไป ซึ่งทำให้ความแข็งแรงในการดัดงอเพิ่มขึ้น 15% ถึง 20%
บทสรุปที่สำคัญ: การรักษาพื้นผิวที่ได้รับการออกแบบทางวิทยาศาสตร์สามารถทำให้ชิ้นส่วนแข็งแรงขึ้นมากแทนที่จะอ่อนแอลง โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น ความเค้นอัดที่เหลือ การปรับแต่งเกรน และการเสริมความแข็งด้วยการเปลี่ยนเฟส
2 อันตรายจากงานฝีมือที่ไม่ดี: จุดสำคัญระหว่างการปรับปรุงความแข็งแกร่งและทำให้ประสิทธิภาพแย่ลง
การรักษาพื้นผิวสามารถทำให้สิ่งต่างๆ แข็งแกร่งขึ้นได้ แต่หากพารามิเตอร์กระบวนการไม่ได้รับการควบคุมหรือวัสดุทำงานร่วมกันได้ไม่ดี ความแข็งแรงก็อาจลดลงได้ สาเหตุหลักมาจากกลไก 3 ประการดังต่อไปนี้:
1. การแข็งตัวมากเกินไปทำให้ของแตกหักง่าย
บริษัทแห่งหนึ่งใช้การบำบัดด้วยคาร์บูไรซิ่งที่อุณหภูมิมากเกินไปกับวาล์วสแตนเลสเพื่อให้ทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น สิ่งนี้ทำให้ชั้นคาร์ไบด์บนพื้นผิวหนากว่า 0.8 มม. และคาร์ไบด์ก่อตัวขึ้นที่ขอบเขตของเกรน ซึ่งทำให้เกิดรอยแตกร้าวและทำให้วาล์วล้มเหลวในช่วงแรกของการทดสอบแรงดัน
กลไก: เมื่อความแข็งของพื้นผิวสูงกว่าขีดจำกัดความเหนียวของวัสดุแกนกลาง รอยแตกมีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายจากชั้นแข็งและเปราะไปยังแกนกลางอ่อน สิ่งนี้เรียกว่าโหมดความล้มเหลว "แข็งและเปราะ"
2. ความเค้นดึงตกค้างช่วยเร่งการเริ่มต้นของรอยแตกร้าว
กรณี: การชุบด้วยไฟฟ้าที่ไม่เหมาะสมทำให้เกิดความเค้นดึงตกค้างที่จุดสัมผัสระหว่างสารเคลือบและสารตั้งต้นของเพลาเกียร์ของรถยนต์บางรุ่น ความหนาแน่นของรอยแตกร้าวเพิ่มขึ้นสามเท่าเมื่อตัวอย่างได้รับความเค้นสลับกัน
กลไก: หากการชุบด้วยไฟฟ้า การชุบด้วยสารเคมี และกระบวนการอื่น ๆ ไม่รักษาสถานะความเค้นของสารเคลือบให้อยู่ในสถานะตรวจสอบ ความเค้นดึงอาจถูกเพิ่มเข้าไปเพื่อสร้างสมดุลให้กับผลการเสริมความแข็งแกร่งของความเค้นอัดที่พื้นผิว
3. ความเสียหายต่อพื้นผิวทำให้เกิดความเครียดสะสม
หลังจากพ่นทรายด้วยแรงดันสูง รอยแตกขนาดเล็กก็ปรากฏขึ้นบนพื้นผิวของการปลูกถ่ายเซรามิกเซอร์โคเนีย ในการทดสอบการเคี้ยวจำลอง อัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวเร็วกว่าสองเท่าของตัวอย่างที่ไม่ผ่านการบำบัด ซึ่งหมายความว่าอันตรายของการแตกหักตั้งแต่เนิ่นๆ ในการใช้งานทางคลินิกมีสูงกว่ามาก
กลไก: หากการตั้งค่าสำหรับการบำบัดเชิงกล เช่น การพ่นทรายและการเจียรไม่ถูกต้อง (เช่น หากแรงดันสูงเกินไปหรืออนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนมีขนาดเล็กเกินไป) พื้นผิวอาจได้รับความเสียหายลึกกว่าชั้นความเค้นอัด ซึ่งอาจทำให้เกิดการแตกหักได้
ประเด็นหลักคือผลกระทบด้านลบของการรักษาพื้นผิวต่อความแข็งแรงนั้นเกิดจากการแปรรูปที่ไม่ดี ไม่ใช่ตัวเทคนิคเอง เพื่อขจัดความเสี่ยง คุณควรปรับพารามิเตอร์และคุณภาพการทดสอบให้เหมาะสม
3 คุณสมบัติของวัสดุและความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการ: แนวคิดหลักเบื้องหลังการเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งแกร่ง
คุณลักษณะทางกายภาพของวัสดุที่แตกต่างกัน เช่น ความแข็งหรือความเหนียวของวัสดุ และวิธีที่วัสดุเปลี่ยนระยะ ส่งผลโดยตรงต่อวิธีการเลือกและจัดเตรียมเทคนิคการปรับสภาพพื้นผิวของคุณ ต่อไปนี้เป็นวิธีทั่วไปในการปรับเปลี่ยนวัสดุ:
1. วัสดุโลหะ: ปรับสมดุลของความเค้นอัดและความแข็งที่เหลือ
โลหะผสมไทเทเนียม: การขัดผิวด้วยการยิง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.6 มม. และแรงดัน 0.4MPa) เป็นขั้นตอนแรกเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้พื้นผิวเกิดรอยขีดข่วนด้วยสารกัดกร่อนที่รุนแรง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ หลังจากผ่านกระบวนการแล้ว จำเป็นต้องล้างด้วยกรดเพื่อกำจัดสารกัดกร่อนที่ติดอยู่บนพื้นผิว
อลูมิเนียมอัลลอยด์: เพื่อสร้างความเค้นอัดตกค้างโดยไม่ทำให้พื้นผิวหยาบเกินไปหรือลดความแข็งแรงเมื่อยล้าลง การพ่นทรายด้วยเม็ดแก้ว (ที่มีขนาดอนุภาค 120 ตาข่ายและความดัน 0.3MPa) จะถูกนำมาใช้ร่วมกับอโนไดซ์
เหล็กกล้าไร้สนิม: ใช้ไนไตรดิงอุณหภูมิต่ำ- (520 องศา ) และการยิงสเตนเลสสตีล (ขนาดอนุภาค 80 mesh ความดัน 0.5 MPa) เพื่อปรับสมดุลความแข็งของพื้นผิวและความต้านทานการกัดกร่อน
2. วัสดุเซรามิก: การแข็งตัวด้วยการเปลี่ยนเฟสและการควบคุมความเสียหาย
เซรามิกเซอร์โคเนีย: ความดันในการพ่นทรายควรน้อยกว่า 0.25MPa และเวลาควรน้อยกว่า 20 วินาที สิ่งนี้จะป้องกันไม่ให้ความลึกของความเสียหายที่พื้นผิวมากกว่าความหนาของชั้นความเค้นอัด (ประมาณ 50 μm) อีกวิธีหนึ่ง สามารถใช้การแกะสลักด้วยเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 5J/ซม.²) เพื่อป้องกันการแตกร้าวจากความร้อน
เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์: ในการสร้างโครงสร้างพรุนขนาดเล็ก การกัดด้วยสารเคมี (กรดผสม HF+HNO3) เป็นวิธีที่ดีที่สุด เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของกาวโดยไม่ทำให้เกิดความเสียหายทางกล จึงมีการใช้การล็อคแบบกลไก
3. วัสดุคอมโพสิต: เสริมความแข็งแกร่งให้กับหน้าสัมผัสและหยุดการแยกส่วน
การพ่นพลาสมา (กำลัง 5kW อัตราการไหลของอาร์กอน 30 ลิตร/นาที) ใช้เพื่อสร้างชั้นการเปลี่ยนผ่านของโลหะบนพื้นผิวของวัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้สารเคลือบติดได้ดีขึ้นและป้องกันไม่ให้เส้นใยแตกหักเมื่อถูกพ่นทรายโดยตรง
การหุ้มด้วยเลเซอร์ (กำลัง 2kW ความเร็วในการสแกน 10 มม./วินาที) ทำให้เกิด-สารเคลือบที่ทนทานต่อการสึกหรอบนพื้นผิวของโลหะ-วัสดุคอมโพสิต อินพุตความร้อนได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันไม่ให้ซับสเตรตและเสริมเฟสแยกออกจากกัน
ประเด็นหลักคือคุณภาพของวัสดุเป็นตัวกำหนดความสามารถในการปรับเปลี่ยนกระบวนการ และควรใช้ฐานข้อมูล "ประสิทธิภาพของกระบวนการวัสดุ" เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบพารามิเตอร์ ตัวอย่างเช่น "ข้อกำหนดกระบวนการบำบัดพื้นผิว" (GJB 5098-2008) กำหนดกรอบเวลากระบวนการสำหรับวัสดุต่างๆ ในพื้นที่การบิน