Il trattamento superficiale indebolirà la resistenza delle parti?

一, Lo scopo principale del trattamento superficiale è rafforzare e indurire allo stesso tempo.
Il trattamento superficiale non è solo una tecnologia; il suo scopo principale è migliorare le prestazioni modificando il modo in cui le superfici dei materiali sono strutturate e sollecitate. Esistono due tipi principali di trattamento superficiale in base al loro funzionamento:
1. Trattamento migliorato: rende la superficie più dura e resistente all'usura
Rinforzo mediante pallinatura: questo metodo utilizza proiettili ad alta-velocità per colpire la superficie e creare uno strato di sollecitazione di compressione residuo spesso fino a 0,5 mm. Ciò può aumentare la resistenza alla fatica di oltre il 200%. Ad esempio, la pallinatura può far sì che la vita a fatica delle pale dei motori aeronautici duri più di 10 ^ 7 cicli di carico, passando da 500 ore a 1500 ore.
Pallinatura con shock laser: un laser ad alta-energia crea onde d'urto al plasma che creano uno strato di stress di compressione residuo profondo 1 mm-sulla superficie. Ciò riduce la dimensione del grano, rendendo le parti in lega di titanio tre volte più resistenti alla fatica.
Carburazione/nitrurazione: un trattamento termico chimico crea uno strato di carburo o nitruro molto duro sulla superficie (fino a 1200 HV), che rende la superficie molto più resistente all'usura. Dopo la cementazione, la durezza della superficie degli ingranaggi automobilistici è passata da 35 HRC a 60 HRC e la durata degli ingranaggi è stata prolungata di cinque volte.
2. Trattamento tenacizzante: rallenta la propagazione delle fessurazioni
Rullatura superficiale: Facendo rotolare un rullo sulla superficie si eliminano le imperfezioni della lavorazione e si creano tensioni residue di compressione. Ciò rallenta del 60% la velocità con cui le crepe si diffondono nelle parti in lega di alluminio.
Tempra con trasformazione di fase: per materiali come la ceramica all'ossido di zirconio, la sabbiatura fa sì che la superficie cambi dalla fase t alla fase m. Lo stress di compressione derivante dall'espansione del volume viene quindi utilizzato per combattere la forza che provoca la diffusione delle crepe, il che fa aumentare la resistenza alla flessione dal 15% al ​​20%.
Conclusione chiave: il trattamento superficiale progettato scientificamente può rendere le parti molto più resistenti anziché indebolite utilizzando metodi come lo stress di compressione residuo, l'affinamento del grano e l'indurimento con trasformazione di fase.
2, Il pericolo di una cattiva lavorazione: il punto chiave tra migliorare la resistenza e peggiorare le prestazioni
Il trattamento superficiale può rendere le cose più resistenti, ma se i parametri del processo non sono regolamentati o i materiali non funzionano bene insieme, la resistenza potrebbe effettivamente diminuire. Ciò è dovuto principalmente ai seguenti tre meccanismi:
1. Un indurimento eccessivo fa sì che le cose si rompano facilmente.
Un'azienda ha utilizzato un trattamento di cementazione a temperatura eccessiva sulle valvole in acciaio inossidabile per renderle più resistenti all'usura. Ciò ha reso lo strato di carburo sulla superficie più spesso di 0,8 mm e i carburi si sono accumulati ai bordi dei grani, causando crepe e causando il cedimento della valvola nelle prime fasi del test di pressione.
Meccanismo: quando la durezza superficiale è superiore al limite di tenacità del materiale del nucleo, è probabile che le crepe si diffondano dallo strato duro e fragile al nucleo morbido. Questa è chiamata modalità di fallimento "duro e fragile".
2. La tensione residua di trazione accelera l'inizio delle fessurazioni.
Caso: Un trattamento galvanico improprio ha causato la formazione di stress di trazione residuo al contatto tra il rivestimento e il substrato di un determinato albero del cambio di un'auto. La densità della fessura è aumentata di tre volte quando il campione è stato sottoposto a sollecitazioni alternate.
Meccanismo: se la galvanica, la placcatura chimica e altri processi non tengono sotto controllo lo stato di stress del rivestimento, è possibile aggiungere stress di trazione per bilanciare l'effetto rinforzante dello stress di compressione superficiale.
3. I danni alla superficie provocano l'accumulo di stress.
Dopo essere stati sabbiati ad alta pressione, sulla superficie degli impianti in ceramica di zirconio sono comparse delle microfessure. Nei test di masticazione simulati, la velocità di propagazione delle cricche è stata doppia rispetto a quella dei campioni non trattati. Ciò significava che il pericolo di frattura precoce nell’uso clinico era molto più elevato.
Meccanismo: se le impostazioni per trattamenti meccanici come sabbiatura e molatura sono errate (ad esempio, se la pressione è troppo elevata o le particelle abrasive sono troppo piccole), la superficie può essere danneggiata più in profondità dello strato di sollecitazione di compressione, provocando l'inizio di una frattura.
Il punto principale è che l'effetto negativo del trattamento superficiale sulla resistenza è causato da una cattiva lavorazione e non dalla tecnica stessa. Per eliminare i rischi, è necessario ottimizzare i parametri e testare la qualità.
3, Proprietà dei materiali e adattabilità del processo: l'idea principale alla base dell'ottimizzazione della resistenza
Gli attributi fisici dei diversi materiali, come la loro durezza o resistenza e il modo in cui cambiano fase, influiscono direttamente sul modo in cui si scelgono e si impostano le tecniche di trattamento superficiale. Di seguito sono riportati i modi comuni per modificare i materiali:
1. Materiali metallici: bilanciamento delle tensioni residue di compressione e della durezza
Lega di titanio: la pallinatura (con un diametro di 0,6 mm e una pressione di 0,4 MPa) è il primo passo per evitare di graffiare la superficie con abrasivi aggressivi come il carburo di silicio. Dopo la lavorazione è necessario un lavaggio acido per eliminare eventuali abrasivi rimasti intrappolati nella superficie.
Lega di alluminio: per creare sollecitazioni di compressione residue senza rendere la superficie troppo ruvida o ridurne la resistenza alla fatica, la sabbiatura con perle di vetro (con una dimensione delle particelle di 120 mesh e una pressione di 0,3 MPa) viene utilizzata in combinazione con l'anodizzazione.
Acciaio inossidabile: utilizzo di nitrurazione a bassa-temperatura (520 gradi) e granigliatura dell'acciaio inossidabile (dimensione delle particelle 80 mesh, pressione 0,5 MPa) per bilanciare la durezza superficiale e la resistenza alla corrosione.
2. Materiali ceramici: tenacizzazione tramite cambiamento di fase e controllo del danneggiamento
Ceramica di zirconio: la pressione della sabbiatura deve essere inferiore a 0,25 MPa e il tempo deve essere inferiore a 20 secondi. Ciò eviterà che la profondità del danno superficiale sia maggiore dello spessore dello strato di sollecitazione di compressione (circa 50 μm). In alternativa, è possibile utilizzare l'incisione laser con una bassa densità di energia (inferiore o uguale a 5J/cm²) per prevenire la fessurazione termica.
Ceramiche al nitruro di silicio: per realizzare una struttura microporosa, l'attacco chimico (acido misto HF+HNO3) è il metodo migliore. Per migliorare la forza adesiva senza causare danni meccanici, viene utilizzato il bloccaggio meccanico.
3. Materiali compositi: rafforzamento del contatto e arresto della delaminazione
La spruzzatura al plasma (potenza 5 kW, portata di argon 30 l/min) viene utilizzata per creare uno strato di transizione metallico sulla superficie del materiale composito rinforzato con fibra di carbonio. Ciò fa sì che il rivestimento aderisca meglio e previene la rottura delle fibre quando vengono sabbiate direttamente.
Il rivestimento laser (potenza 2 kW, velocità di scansione 10 mm/s) deposita rivestimenti resistenti all'usura-sulla superficie dei materiali compositi a base metallica-. L'apporto termico è attentamente gestito per evitare la separazione del supporto e della fase rinforzante.
Il punto principale è che le qualità del materiale determinano quanto sia adattabile il processo e il database "Prestazioni del processo del materiale" dovrebbe essere utilizzato per guidare la progettazione dei parametri. Ad esempio, la "Specifica del processo di trattamento superficiale" (GJB 5098-2008) definisce la finestra di processo per diversi materiali nel settore dell'aviazione.