Zal oppervlaktebehandeling de sterkte van de onderdelen verzwakken?

Bijvoorbeeld, het belangrijkste doel van oppervlaktebehandeling is tegelijkertijd versterken en harder maken.
Oppervlaktebehandeling is niet slechts één technologie; het belangrijkste doel is om de prestaties te verbeteren door de manier te wijzigen waarop de oppervlakken van materialen worden gestructureerd en belast. Er zijn twee hoofdtypen oppervlaktebehandeling, afhankelijk van hoe ze werken:
1. Verbeterde behandeling: maakt het oppervlak harder en beter bestand tegen slijtage
Versterking van kogelharden: bij deze methode worden projectielen met hoge-snelheid gebruikt om het oppervlak te raken en een restdrukspanningslaag te creëren die tot 0,5 mm dik is. Dit kan de vermoeiingssterkte met meer dan 200% verbeteren. Door middel van kogelstralen kan de levensduur van vliegtuigmotorbladen bijvoorbeeld langer duren dan 10 ^ 7 belastingscycli, variërend van 500 uur tot 1500 uur.
Laserschokstralen: een laser met hoge-energie creëert plasmaschokgolven die een 1 mm-diepe laag van resterende drukspanning op het oppervlak creëren. Hierdoor wordt de korrelgrootte kleiner, waardoor onderdelen van titaniumlegering drie keer beter bestand zijn tegen vermoeiing.
Carbureren/nitreren: Door een chemische hittebehandeling ontstaat er een zeer harde carbide- of nitridelaag op het oppervlak (tot 1200HV), waardoor het oppervlak veel beter bestand is tegen slijtage. Na het carbureren ging de hardheid van het oppervlak van autotandwielen van 35HRC naar 60HRC, en werd de levensduur van de tandwielen met vijf keer verlengd.
2. Verhardingsbehandeling: vertraagt ​​de verspreiding van scheuren
Oppervlaktewalsen: Door een rol over het oppervlak te rollen worden verwerkingsonvolkomenheden verwijderd en ontstaat er restdrukspanning. Dit vertraagt ​​de snelheid waarmee scheuren zich verspreiden in onderdelen van aluminiumlegeringen met 60%.
Fasetransformatieharden: Bij materialen zoals zirkoniumkeramiek zorgt zandstralen ervoor dat het oppervlak verandert van de t-fase naar de m-fase. De drukspanning als gevolg van volume-expansie wordt vervolgens gebruikt om de kracht te bestrijden die ervoor zorgt dat scheuren zich verspreiden, waardoor de buigsterkte met 15% tot 20% toeneemt.
Belangrijkste conclusie: Wetenschappelijk ontworpen oppervlaktebehandeling kan onderdelen veel sterker maken in plaats van zwakker door gebruik te maken van methoden als restdrukspanning, korrelverfijning en fasetransformatieharding.
2. Het gevaar van slecht vakmanschap: het sleutelpunt tussen het verbeteren van de sterkte en het verslechteren van de prestaties
Oppervlaktebehandeling kan dingen sterker maken, maar als de procesparameters niet gereguleerd zijn of als de materialen niet goed samenwerken, kan de sterkte zelfs afnemen. Dit is voornamelijk te wijten aan de volgende drie mechanismen:
1. Te veel verharding zorgt ervoor dat dingen gemakkelijk breken.
Een bedrijf gebruikte te veel temperatuurcarburatiebehandeling op roestvrijstalen kleppen om ze beter bestand te maken tegen slijtage. Hierdoor werd de carbidelaag op het oppervlak dikker dan 0,8 mm en hoopten de carbiden zich op aan de korrelgrenzen, wat scheuren veroorzaakte en de klep vroegtijdig bezweek tijdens druktests.
Mechanisme: Wanneer de oppervlaktehardheid hoger is dan de taaiheidslimiet van het kernmateriaal, is de kans groot dat scheuren zich verspreiden van de harde, brosse laag naar de zachte kern. Dit wordt een "harde en broze" faalmodus genoemd.
2. Resterende trekspanningen versnellen het ontstaan ​​van scheuren.
Casus: Een onjuiste galvanische behandeling zorgde ervoor dat er resttrekspanning ontstond bij het contact tussen de coating en het substraat van een bepaalde versnellingsbakas van een auto. De scheurdichtheid steeg driemaal wanneer het monster aan wisselende spanningen werd onderworpen.
Mechanisme: Als galvaniseren, chemisch plateren en andere processen de spanningstoestand van de coating niet onder controle houden, kan trekspanning worden toegevoegd om het versterkende effect van drukspanning op het oppervlak te compenseren.
3. Beschadiging van het oppervlak veroorzaakt spanningsopbouw.
Nadat ze onder hoge druk waren gezandstraald, verschenen er microscheurtjes op het oppervlak van keramische implantaten van zirkoniumoxide. Bij gesimuleerde kauwtesten was de snelheid van de scheurvoortplanting tweemaal zo snel als bij onbehandelde monsters. Dit betekende dat het gevaar van vroegtijdige fracturen bij klinisch gebruik veel groter was.
Mechanisme: Als de instellingen voor mechanische behandelingen zoals zandstralen en slijpen verkeerd zijn (bijvoorbeeld als de druk te hoog is of de schurende deeltjes te klein zijn), kan het oppervlak dieper beschadigd raken dan de drukspanningslaag, waardoor een breuk kan ontstaan.
Het belangrijkste punt is dat het negatieve effect van oppervlaktebehandeling op de sterkte wordt veroorzaakt door een slechte verwerking, en niet door de techniek zelf. Om risico's te elimineren, moet u de parameters en testkwaliteit optimaliseren.
3, Materiaaleigenschappen en procesaanpassing: het belangrijkste idee achter sterkte-optimalisatie
De fysieke kenmerken van verschillende materialen, zoals hoe hard of taai ze zijn en hoe ze van fase veranderen, zijn rechtstreeks van invloed op de manier waarop u oppervlaktebehandelingstechnieken kiest en opzet. Dit zijn veelgebruikte manieren om materialen te wijzigen:
1. Metalen materialen: balanceren van resterende drukspanning en hardheid
Titaniumlegering: Kogelstralen (met een diameter van 0,6 mm en een druk van 0,4 MPa) is de eerste stap om krassen op het oppervlak te voorkomen met agressieve schuurmiddelen zoals siliciumcarbide. Na de verwerking is zuurwassen nodig om eventuele schuurmiddelen die in het oppervlak vastzitten te verwijderen.
Aluminiumlegering: Om restdrukspanning te creëren zonder het oppervlak te ruw te maken of de vermoeiingssterkte te verminderen, wordt glasparelzandstralen (met een deeltjesgrootte van 120 mesh en een druk van 0,3 MPa) gebruikt in combinatie met anodiseren.
Roestvast staal: gebruik van nitreren bij lage- temperatuur (520 graden) en gritstralen van roestvrij staal (deeltjesgrootte 80 mesh, druk 0,5 MPa) om de oppervlaktehardheid en corrosieweerstand in evenwicht te brengen.
2. Keramische materialen: verharding door faseverandering en schadebeheersing
Zirkonia-keramiek: de druk van het zandstralen moet minder dan 0,25 MPa zijn en de tijd moet minder dan 20 seconden zijn. Hierdoor wordt voorkomen dat de diepte van de oppervlakteschade groter wordt dan de dikte van de drukspanningslaag (ongeveer 50 μm). Als alternatief kan laseretsen met een lage energiedichtheid (minder dan of gelijk aan 5J/cm²) worden gebruikt om thermische scheurvorming te voorkomen.
Siliciumnitride keramiek: Om een ​​microporeuze structuur te maken is chemisch etsen (HF+HNO3 gemengd zuur) de beste methode. Om de kleefkracht te verbeteren zonder mechanische schade te veroorzaken, wordt gebruik gemaakt van mechanische vergrendeling.
3. Composietmaterialen: versterken het contact en stoppen delaminatie
Met plasmaspuiten (5 kW vermogen, argondebiet 30 l/min) wordt een metalen overgangslaag op het oppervlak van met koolstofvezel versterkt composietmateriaal gemaakt. Hierdoor hecht de coating beter en wordt voorkomen dat vezels breken als ze direct worden gezandstraald.
Lasercladding (vermogen 2 kW, scansnelheid 10 mm/s) brengt slijtvaste-resistente coatings aan op het oppervlak van op metaal-gebaseerde composietmaterialen. De warmte-inbreng wordt zorgvuldig beheerd om te voorkomen dat het substraat en de versterkende fase zich scheiden.
Het belangrijkste punt is dat de eigenschappen van het materiaal bepalen hoe aanpasbaar het proces is, en dat de database "Material Process Performance" moet worden gebruikt om het parameterontwerp te begeleiden. De "Surface Treatment Process Specification" (GJB 5098-2008) stelde bijvoorbeeld het procesvenster vast voor verschillende materialen in de luchtvaart.