Czy obróbka powierzchni osłabi wytrzymałość części?

Głównym celem obróbki powierzchni jest jednoczesne wzmocnienie i hartowanie.
Obróbka powierzchniowa to nie tylko jedna technologia; jego głównym celem jest poprawa wydajności poprzez modyfikację sposobu, w jaki powierzchnie materiałów są ustrukturyzowane i naprężone. Istnieją dwa główne rodzaje obróbki powierzchni w zależności od ich działania:
1. Ulepszona obróbka: sprawia, że ​​powierzchnia jest twardsza i bardziej odporna na zużycie
Wzmocnienie poprzez śrutowanie: w tej metodzie wykorzystuje się-pociski o dużej prędkości, które uderzają w powierzchnię i tworzą warstwę naprężeń ściskających o grubości do 0,5 mm. Może to zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową o ponad 200%. Na przykład śrutowanie może sprawić, że trwałość zmęczeniowa łopatek silników lotniczych będzie dłuższa niż 10 ^ 7 cykli obciążenia, wahając się od 500 do 1500 godzin.
Laserowe śrutowanie udarowe: laser o wysokiej-energii wytwarza plazmowe fale uderzeniowe, które tworzą na powierzchni warstwę resztkowego naprężenia ściskającego o głębokości 1 mm-. Dzięki temu wielkość ziarna jest mniejsza, co sprawia, że ​​części ze stopu tytanu są trzykrotnie bardziej odporne na zmęczenie.
Nawęglanie/azotowanie: Chemiczna obróbka cieplna tworzy na powierzchni bardzo twardą warstwę węglika lub azotku (do 1200HV), co czyni powierzchnię znacznie bardziej odporną na zużycie. Po nawęglaniu twardość powierzchni przekładni samochodowych wzrosła z 35HRC do 60HRC, a żywotność przekładni wzrosła pięciokrotnie.
2. Zabieg hartujący: spowalnia rozprzestrzenianie się pęknięć
Walcowanie powierzchniowe: poprzez walcowanie wałka po powierzchni usuwane są niedoskonałości obróbki i powstają resztkowe naprężenia ściskające. Spowalnia to tempo rozprzestrzeniania się pęknięć w częściach ze stopu aluminium o 60%.
Hartowanie z przemianą fazową: W przypadku materiałów takich jak ceramika cyrkonowa piaskowanie powoduje zmianę powierzchni z fazy t w fazę m. Naprężenie ściskające powstałe w wyniku rozszerzania objętości jest następnie wykorzystywane do zwalczania siły powodującej rozprzestrzenianie się pęknięć, co powoduje wzrost wytrzymałości na zginanie o 15–20%.
Kluczowy wniosek: Naukowo zaprojektowana obróbka powierzchni może sprawić, że części będą znacznie mocniejsze, a nie słabsze, dzięki zastosowaniu metod takich jak szczątkowe naprężenie ściskające, rozdrobnienie ziarna i hartowanie z przemianą fazową.
2, Niebezpieczeństwo złego wykonania: kluczowy punkt pomiędzy poprawą siły a pogorszeniem wydajności
Obróbka powierzchniowa może wzmocnić konstrukcję, ale jeśli parametry procesu nie są regulowane lub materiały nie współpracują dobrze ze sobą, wytrzymałość może w rzeczywistości spaść. Dzieje się tak głównie za sprawą trzech następujących mechanizmów:
1. Zbyt duże twardnienie powoduje, że rzeczy łatwo się psują.
Pewna firma zastosowała nawęglanie w zbyt wysokiej temperaturze na zaworach ze stali nierdzewnej, aby zwiększyć ich odporność na zużycie. Spowodowało to, że warstwa węglika na powierzchni była grubsza niż 0,8 mm, a węgliki gromadziły się na granicach ziaren, co powodowało pęknięcia i awarię zaworu na początku próby ciśnieniowej.
Mechanizm: Gdy twardość powierzchni jest wyższa niż granica wytrzymałości materiału rdzenia, pęknięcia prawdopodobnie rozprzestrzeniają się od twardej, kruchej warstwy do miękkiego rdzenia. Nazywa się to trybem awarii „twardej i kruchej”.
2. Szczątkowe naprężenia rozciągające przyspieszają powstawanie pęknięć.
Przypadek: Niewłaściwa obróbka galwaniczna spowodowała narastanie szczątkowych naprężeń rozciągających na styku powłoki z podłożem pewnego wału skrzyni biegów samochodu. Gęstość pęknięć wzrosła trzykrotnie, gdy próbkę poddano naprężeniom przemiennym.
Mechanizm: Jeśli galwanizacja, powlekanie chemiczne i inne procesy nie utrzymują stanu naprężenia powłoki pod kontrolą, można dodać naprężenie rozciągające, aby zrównoważyć wzmacniający efekt powierzchniowego naprężenia ściskającego.
3. Uszkodzenie powierzchni powoduje narastanie naprężeń.
Po piaskowaniu pod wysokim ciśnieniem na powierzchni implantów ceramicznych z tlenku cyrkonu pojawiły się mikropęknięcia. W symulowanych testach żucia szybkość propagacji pęknięć była dwukrotnie większa niż w próbkach nietraktowanych. Oznaczało to, że ryzyko wczesnego złamania w praktyce klinicznej było znacznie wyższe.
Mechanizm: Jeśli ustawienia obróbki mechanicznej, takiej jak piaskowanie i szlifowanie, są nieprawidłowe (na przykład, jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie lub cząstki ścierne są zbyt małe), powierzchnia może zostać uszkodzona głębiej niż warstwa naprężeń ściskających, co może spowodować początek pękania.
Najważniejsze jest to, że negatywny wpływ obróbki powierzchni na wytrzymałość jest spowodowany złą obróbką, a nie samą techniką. Aby wyeliminować ryzyko, należy zoptymalizować parametry i jakość testów.
3, Właściwości materiału i zdolność adaptacji procesu: główna idea optymalizacji wytrzymałości
Fizyczne cechy różnych materiałów, takie jak ich twardość i wytrzymałość oraz sposób, w jaki zmieniają fazy, bezpośrednio wpływają na wybór i ustawienie technik obróbki powierzchni. Poniżej przedstawiono typowe sposoby modyfikowania materiałów:
1. Materiały metalowe: równoważenie szczątkowych naprężeń ściskających i twardości
Stop tytanu: Śrutowanie (o średnicy 0,6 mm i ciśnieniu 0,4 MPa) to pierwszy krok pozwalający uniknąć zarysowania powierzchni ostrymi materiałami ściernymi, takimi jak węglik krzemu. Po obróbce konieczne jest przemywanie kwasem, aby pozbyć się wszelkich materiałów ściernych, które utknęły w powierzchni.
Stop aluminium: Aby wytworzyć szczątkowe naprężenia ściskające bez powodowania nadmiernej chropowatości powierzchni lub zmniejszania jej wytrzymałości zmęczeniowej, stosuje się piaskowanie kulkami szklanymi (o wielkości cząstek 120 mesh i ciśnieniu 0,3 MPa) w połączeniu z anodowaniem.
Stal nierdzewna: azotowanie w niskiej-temperaturze (520 stopni) i śrutowanie stali nierdzewnej (wielkość cząstek 80 mesh, ciśnienie 0,5 MPa) w celu zrównoważenia twardości powierzchni i odporności na korozję.
2. Materiały ceramiczne: hartowanie poprzez zmianę fazy i kontrola uszkodzeń
Ceramika cyrkonowa: Ciśnienie piaskowania powinno być mniejsze niż 0,25 MPa, a czas krótszy niż 20 sekund. Dzięki temu głębokość uszkodzeń powierzchni nie będzie większa niż grubość warstwy naprężenia ściskającego (około 50 μm). Alternatywnie, aby zapobiec pękaniu termicznemu, można zastosować trawienie laserowe o niskiej gęstości energii (mniejszej lub równej 5 J/cm²).
Ceramika z azotku krzemu: Aby uzyskać mikroporowatą strukturę, najlepszą metodą jest trawienie chemiczne (mieszany kwas HF + HNO3). Aby poprawić siłę klejenia bez powodowania uszkodzeń mechanicznych, stosuje się blokowanie mechaniczne.
3. Materiały kompozytowe: wzmocnienie kontaktu i zatrzymanie rozwarstwiania
Natrysk plazmowy (moc 5 kW, natężenie przepływu argonu 30 l/min) służy do wytworzenia metalowej warstwy przejściowej na powierzchni materiału kompozytowego wzmocnionego włóknem węglowym. Dzięki temu powłoka lepiej się trzyma i zapobiega pękaniu włókien podczas bezpośredniego piaskowania.
Napawanie laserowe (moc 2 kW, prędkość skanowania 10 mm/s) tworzy-odporne na zużycie powłoki na powierzchni materiałów kompozytowych na bazie metalu. Dopływ ciepła jest starannie zarządzany, aby zapobiec rozdzieleniu się podłoża i fazy wzmacniającej.
Najważniejszą kwestią jest to, że jakość materiału decyduje o możliwości dostosowania procesu, a do projektowania parametrów należy używać bazy danych „Wydajność procesu materiałowego”. Na przykład „Specyfikacja procesu obróbki powierzchni” (GJB 5098-2008) określa okno procesu dla różnych materiałów w obszarze lotnictwa.