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学习情境二： 冶金机械设备现代维修技术. 模块八： 其它修复技术简介. 一、表面形变强化 （或称表面机械强化）. 表面形变强化原理是 ，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达 0.5 ～ 1.5mm ），从而使表面层硬度、强度提高，有利于提高零件抗疲劳强度和使用寿命。表面形变强化工艺方法简单、成本低廉、强化效果显著，在机械设备维修领域中常用，其名目也十分繁多，常用的强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等，现对其介绍如下：.
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学习情境二： 冶金机械设备现代维修技术 模块八： 其它修复技术简介
一、表面形变强化（或称表面机械强化） 表面形变强化原理是，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高，有利于提高零件抗疲劳强度和使用寿命。表面形变强化工艺方法简单、成本低廉、强化效果显著，在机械设备维修领域中常用，其名目也十分繁多，常用的强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等，现对其介绍如下：
滚柱滚压是最简单最常用的冷压强化方法。单滚柱滚压压力大且不平衡，这就要求工艺系统有足够的刚度；多滚柱滚压可对称布置滚柱以滚压内孔可外圆，减小了工艺系统的变形；这种方法也可滚压成形表面或锥面。滚柱滚压是最简单最常用的冷压强化方法。单滚柱滚压压力大且不平衡，这就要求工艺系统有足够的刚度；多滚柱滚压可对称布置滚柱以滚压内孔可外圆，减小了工艺系统的变形；这种方法也可滚压成形表面或锥面。 滚珠滚压接触面积小，压强大，滚压力均匀，用于对刚度差的工件进行滚压，亦可做成多滚珠滚压。 离心转子滚压是利用离心力进行滚压的方法。滚球或滚柱的重量、转子直径及转速决定了滚压力的大小，一般成正比关系。 实例：油缸内孔滚压
挤压加工是利用截面形状与工件孔形相同的挤压工具（胀头），在两者间有一定过盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面强化的工艺措施。挤压加工是利用截面形状与工件孔形相同的挤压工具（胀头），在两者间有一定过盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面强化的工艺措施。 内挤压强化原理是：利用棒、衬套、模具等特殊的挤压工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。 2、内挤压强化
内挤压效率较高，效果较好，方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件，主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔等。可采用单环可多环挤刀，后者与拉刀相似，挤后工件孔质量提高。内挤压效率较高，效果较好，方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件，主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔等。可采用单环可多环挤刀，后者与拉刀相似，挤后工件孔质量提高。 2、内挤压强化 载重汽车挺柱体的冷挤压
喷丸强化是用压缩空气或离心力等将珠丸高速、连续喷出，撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成冷硬层和残余压应力。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的拉应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高零件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能，延长零件使用寿命。喷丸强化是用压缩空气或离心力等将珠丸高速、连续喷出，撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成冷硬层和残余压应力。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的拉应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高零件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能，延长零件使用寿命。 喷丸强化主要用于强化形状比较复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴、链条等，也可用于一般零件，如板弹簧、螺旋弹簧、履带销、焊缝、轴、叶片等。 3、喷丸强化
。 大型转台式抛喷丸清理机 钢管内壁 抛喷丸
。 图：管道内壁喷丸 图：喷丸用玻璃微珠
图：常用的冷压强化工艺方法 a）单滚柱或多滚柱滚压 b）单滚珠或多滚珠滚压 c）钢珠挤压和涨孔 d）喷丸强化
二、表面热处理强化和表面化学热处理强化 表面热处理是通过对零件的表层进行加热、冷却，表层发生相变，从而改变表层组织和性能，而不改变其表层成份的热处理工艺，也称作表面淬火技术。表面热处理是一种发展较早、应用较广的表面工程技术。随着科学技术的进步，尤其是新型热源的出现，使表面热处理技术日益完善。 1、表面热处理强化
表面淬火的原理是：用电磁感应、火焰、激光等加热方法对零件表面迅速加热，使表面材料快速加热到相变临界点以上而转变为细小的奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保持原有组织，其后用水或油、或依靠母材快速冷却达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，从而提高了零件的表面硬度和耐磨性。而零件心部因未发生相变，仍保持其强度高、韧性好的性能特点。这种表面处理方法常用于齿轮、轴类的表面强化。表面淬火的原理是：用电磁感应、火焰、激光等加热方法对零件表面迅速加热，使表面材料快速加热到相变临界点以上而转变为细小的奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保持原有组织，其后用水或油、或依靠母材快速冷却达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，从而提高了零件的表面硬度和耐磨性。而零件心部因未发生相变，仍保持其强度高、韧性好的性能特点。这种表面处理方法常用于齿轮、轴类的表面强化。 按照加热方式，传统表面热处理可分为感应加热、火焰加热、电接触加热、浴炉（高温盐溶炉）加热等表面淬火工艺。
按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳(硫氰)共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。 化学热处理的目的：主要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。每一种化学热处理工艺都各有其特点，可根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。
三、电火花强化 电火花强化是以直接放电的方式向零件表面提供能量，并使之转化为热能和其它形式的能量，以达到改变表层化学成分和金相组织的目的，从而是表面性能提高。 图：金属模具缺陷电火花修补冷焊机
组成电火花强化设备的最基本部件是脉冲电源和振动器。前者供给瞬时放电能量；后者使电极振动并周期地接触工件。组成电火花强化设备的最基本部件是脉冲电源和振动器。前者供给瞬时放电能量；后者使电极振动并周期地接触工件。 当电极棒（焊条）在工作表面旋转，当某些部位间隙很小时，使主机放电回路形成通路。在他们相互接触的微小区域瞬时流过电流，电流密度可达到105～106A/cm2，而放电时间仅10-6～10-5秒，由于放电能量在时间上和空间上高度集中，在放电微小的区域内产生了约8000℃～10000℃的高温，使该区域的局部材料高能离子化。 1、电火花强化原理
电极棒（焊条）在等离子冶金状态下高速转移到工件表面，并扩散进入到工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。主机电源放电周期为10-3～10-1秒，高频率的放电和电极棒（焊条）在工件表面的高速旋转扫描，可实现大面积高效率的沉积涂层。 简单地说，电火花强化的原理，就是直接利用火花放电的能量，使电极材料在工件表面形成特殊性质的合金层。当然，除了形成合金层，电火花改善工件表面性能还有另外一些原因，比如火花放电的骤热骤冷作用具有表面淬火的效果；用石墨电极强化则有表面渗碳的效果等。 1、电火花强化原理
图：电火花强化过程示意图 其中：R：限流电阻；C：储能电容器
该过程包括强化前准备，实施强化和强化后处理三个方面：该过程包括强化前准备，实施强化和强化后处理三个方面： 强化前准备：首先了解工件的性质和要求，以便确定是否采用电火花强化工艺。其次，确定强化的部位，并清洁强化部位，最后选择好强化设备、强化规准和电极材料。在有条件的情况下，或强化的工件比较特殊的时，最好能用同样材料制成的试块进行强化试验。 2、电火花强化过程 实施强化，是电火花强化的重要环节，包括安置设备、工件及电极；调整电极与工件强化表面的夹角；选择电极移动方式和掌握电极移动速度；去除瑕疵等。 强化后处理包括表面清理和表面质量检查等。
我国运用电火花运用电火花强化工艺始于五十年代。由于当时在基础理论和应用技术等方面缺乏研究，加之强化设备本身也存在某些问题，因此未能得到推广。在七十年代，这项被遗忘的工艺因在刀具、模具等上的运用所取得的明显的效果，而重新引起重视。目前，已被广泛应用在模具强化、刀具强化、机械零件（尤其是易摩擦磨损的零件）强化、磨损件的微量修补。此外，通过使用强化机上配置的附件和极性开关，还可以对工件进行电火花加工，用于取出折断的丝锥或钻头，在淬硬的工件上加工小孔等。我国运用电火花运用电火花强化工艺始于五十年代。由于当时在基础理论和应用技术等方面缺乏研究，加之强化设备本身也存在某些问题，因此未能得到推广。在七十年代，这项被遗忘的工艺因在刀具、模具等上的运用所取得的明显的效果，而重新引起重视。目前，已被广泛应用在模具强化、刀具强化、机械零件（尤其是易摩擦磨损的零件）强化、磨损件的微量修补。此外，通过使用强化机上配置的附件和极性开关，还可以对工件进行电火花加工，用于取出折断的丝锥或钻头，在淬硬的工件上加工小孔等。 3、电火花在机械设备维修中的应用
但是应该注意电火花加工也存在一些缺点：通常使用的设备的强化厚度仅0.02～0.05mm；表面粗糙度一般仅为Ra1.25～5μm；手工操作的强化速度较慢，强化生产率为0.2～0.3cm2/min；强化层的均匀性、连续性较差。因此，限制了强化工艺在某些场合的运用。然而，如果我们能充分认识该工艺的特点，并合理运用，作为一项特殊的表面处理技术，它将具有广泛的应用潜力。但是应该注意电火花加工也存在一些缺点：通常使用的设备的强化厚度仅0.02～0.05mm；表面粗糙度一般仅为Ra1.25～5μm；手工操作的强化速度较慢，强化生产率为0.2～0.3cm2/min；强化层的均匀性、连续性较差。因此，限制了强化工艺在某些场合的运用。然而，如果我们能充分认识该工艺的特点，并合理运用，作为一项特殊的表面处理技术，它将具有广泛的应用潜力。 3、电火花在机械设备维修中的应用
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
（1）定向发光。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。（1）定向发光。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。 （2）亮度极高。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。 1、激光的 特点 （3）、颜色极纯 。光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好
激光表面处理原理通过将高功率密度激光束向工件表面进行照射，光能被工件表面所吸收，并转换成热能，由此实现表面处理。激光表面处理原理通过将高功率密度激光束向工件表面进行照射，光能被工件表面所吸收，并转换成热能，由此实现表面处理。 激光表面处理设备主要包括激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统等构成。 2、激光表面处理技术
（1）激光表面强化 激光表面处理技术主要有激光表面强化、激光表面涂敷、激光表面非晶态处理、激光表面合金化、激光气相沉积等。 （2）激光表面涂敷 （3）激光表面非晶态处理 （4）激光表面合金化 （5）激光表面气相沉积
轴磨损的激光修复 轧辊轴头的激光堆焊
五、电子束表面处理 电子束在表面改性方面的应用起始于上个世纪70年代。电子束表面处理设备包括高压电源、电子枪、低真空工作室、传动机构、高真空系统和电子控制系统等。
电子束表面处理的主要特点有： 1、电子束聚焦性极好，可达0.1μ，处理面积可调整到极小，进行精密微细的局部表面改性，又因电子束作用时间极短为10－7s，故改性导致的变形极小。 2、电子束能量密度可控且控制范围大，可适应不同种类的相变硬化处理和辅助成膜处理。由于能量密度大达109W/cm2，可获极高的局部温度，能使难熔的W、Ta、Mo 及陶瓷形成蒸汽，实现蒸镀处理。 3、电子束相变处理是以电子束为热源，加热和冷却速度非常高，无需对材料专门冷却。电子束的电热转换效率高，可达90％，比激光转换效率7％～10％ 要高得多。
4、电子束的强度、位置、聚焦及工件位置易控制，因而，可有效地控制处理时的工艺性能指标，同时，也适于复杂零件处理，及其处理工作的自动化。4、电子束的强度、位置、聚焦及工件位置易控制，因而，可有效地控制处理时的工艺性能指标，同时，也适于复杂零件处理，及其处理工作的自动化。 5 、电子束表面处理是在真空中进行的，可有效防止因表面氧化而带来的处理质量问题，同时产生的生产污染也较小。 6、 电子束设备价格较高，也不适于大型零件的处理。另外，高电位差形成的电子束在照射处将产生X射线，必须采用预防措施。但相比激光而言，电子束设备一次性投资约为激光的1/3，实际使用成本也只有激光的一半。
电子束应用实例 图；车桥轴头焊接
电子束应用实例 图；模具表面处理
六、模拟实训—机床零件修理 故障现象：机床齿轮强度不足、磨损较快 解决方案：对齿轮进行强化处理。 要 求： （1）采用此前所学方法，自行设计相关工作流程； （2）模拟进行齿轮修理。
六、模拟实训—机床零件修理 故障现象：机床主轴表面强度不足、耐磨性较差 解决方案：对机床主轴进行表面强化处理。 要 求： （1）采用此前所学方法，自行设计相关工作流程； （2）模拟进行主轴修理。
表面形变强化（或称表面机械强化）。 表面热处理强化和表面化学热处理强化。 电火花强化。 激光表面处理。 电子束表面处理。 模拟实训—机床零件修理。 小 结 又一实例：激光修复叶片叶尖
