¿El tratamiento de la superficie debilitará la resistencia de las piezas?

一, el objetivo principal del tratamiento de superficies es fortalecer y endurecer al mismo tiempo.
El tratamiento de superficies no es sólo una tecnología; su objetivo principal es mejorar el rendimiento modificando la forma en que se estructuran y tensionan las superficies de los materiales. Existen dos tipos principales de tratamiento de superficies según su funcionamiento:
1. Tratamiento mejorado: hace que la superficie sea más dura y resistente al desgaste.
Fortalecimiento del shot peening: este método utiliza proyectiles de alta-velocidad para golpear la superficie y crear una capa de tensión de compresión residual de hasta 0,5 mm de espesor. Esto puede mejorar la resistencia a la fatiga en más del 200%. Por ejemplo, el granallado puede hacer que la vida útil de las palas de los motores de aviación dure más de 10 ^ 7 ciclos de carga, pasando de 500 horas a 1500 horas.
Granallado por choque láser: un láser de alta-energía crea ondas de choque de plasma que crean una capa de 1 mm-de profundidad de tensión de compresión residual en la superficie. Esto hace que el tamaño del grano sea más pequeño, lo que hace que las piezas de aleación de titanio sean tres veces más resistentes a la fatiga.
Carburación/nitruración: un tratamiento térmico químico crea una capa de carburo o nitruro muy dura en la superficie (hasta 1200 HV), lo que hace que la superficie sea mucho más resistente al desgaste. Después de la cementación, la dureza de la superficie de los engranajes de automóviles pasó de 35 HRC a 60 HRC y la vida útil de los engranajes se multiplicó por cinco.
2. Tratamiento endurecedor: frena la propagación de grietas
Laminado de la superficie: Al pasar un rodillo sobre la superficie, se eliminan las imperfecciones del procesamiento y se crea una tensión de compresión residual. Esto reduce en un 60% la velocidad a la que se propagan las grietas en las piezas de aleación de aluminio.
Endurecimiento por transformación de fase: para materiales como la cerámica de circonio, el chorro de arena hace que la superficie cambie de la fase t a la fase m. La tensión de compresión de la expansión del volumen se utiliza luego para combatir la fuerza que hace que las grietas se propaguen, lo que hace que la resistencia a la flexión aumente entre un 15% y un 20%.
Conclusión clave: el tratamiento de superficies diseñado científicamente puede hacer que las piezas sean mucho más fuertes en lugar de más débiles mediante el uso de métodos como tensión de compresión residual, refinamiento de grano y endurecimiento por transformación de fase.
2, El peligro de la mala artesanía: el punto clave entre mejorar la fuerza y ​​empeorar el rendimiento
El tratamiento de la superficie puede fortalecer las cosas, pero si los parámetros del proceso no están regulados o los materiales no funcionan bien juntos, la resistencia puede disminuir. Esto se debe principalmente a los siguientes tres mecanismos:
1. Demasiado endurecimiento hace que las cosas se rompan fácilmente.
Una empresa utilizó demasiado tratamiento de cementación a temperatura en válvulas de acero inoxidable para hacerlas más resistentes al desgaste. Esto hizo que la capa de carburo en la superficie tuviera un espesor superior a 0,8 mm y los carburos se acumularan en los límites de los granos, lo que provocó grietas e hizo que la válvula fallara temprano en la prueba de presión.
Mecanismo: cuando la dureza de la superficie es mayor que el límite de tenacidad del material del núcleo, es probable que las grietas se extiendan desde la capa dura y quebradiza hasta el núcleo blando. Esto se denomina modo de falla "duro y frágil".
2. La tensión de tracción residual acelera la aparición de grietas.
Caso: Un tratamiento de galvanoplastia inadecuado provocó que se acumulara tensión de tracción residual en el contacto entre el revestimiento y el sustrato de un determinado eje de caja de cambios de un automóvil. La densidad de las grietas aumentó tres veces cuando la muestra se sometió a tensiones alternas.
Mecanismo: si la galvanoplastia, el revestimiento químico y otros procesos no mantienen bajo control el estado de tensión del recubrimiento, se puede agregar tensión de tracción para equilibrar el efecto fortalecedor de la tensión de compresión de la superficie.
3. El daño a la superficie provoca que se acumule tensión.
Después del pulido con chorro de arena a alta presión, aparecieron microfisuras en la superficie de los implantes cerámicos de circonio. En pruebas de masticación simuladas, la tasa de propagación de grietas fue dos veces más rápida que la de las muestras no tratadas. Esto significaba que el peligro de fractura temprana en el uso clínico era mucho mayor.
Mecanismo: Si los ajustes para tratamientos mecánicos como el pulido con chorro de arena y el esmerilado son incorrectos (por ejemplo, si la presión es demasiado alta o las partículas abrasivas son demasiado pequeñas), la superficie puede dañarse más profundamente que la capa de tensión de compresión, lo que puede provocar el inicio de una fractura.
El punto principal es que el efecto negativo del tratamiento superficial sobre la resistencia se debe a un mal procesamiento, no a la técnica en sí. Para eliminar riesgos, debe optimizar los parámetros y la calidad de las pruebas.
3. Propiedades de los materiales y adaptabilidad del proceso: la idea principal detrás de la optimización de la resistencia
Los atributos físicos de los diferentes materiales, como su dureza o resistencia y cómo cambian de fase, afectan directamente la forma en que se eligen y configuran las técnicas de tratamiento de superficies. Las siguientes son formas comunes de modificar materiales:
1. Materiales metálicos: equilibrio entre la tensión de compresión residual y la dureza
Aleación de titanio: El granallado (con un diámetro de 0,6 mm y una presión de 0,4 MPa) es el primer paso para evitar rayar la superficie con abrasivos fuertes como el carburo de silicio. Después del procesamiento, es necesario un lavado con ácido para eliminar los abrasivos que estén adheridos a la superficie.
Aleación de aluminio: para crear tensión de compresión residual sin hacer que la superficie sea demasiado rugosa o reducir su resistencia a la fatiga, se utiliza chorro de arena con perlas de vidrio (con un tamaño de partícula de malla 120 y una presión de 0,3 MPa) en combinación con anodizado.
Acero inoxidable: uso de nitruración a baja-temperatura (520 grados) y granallado de acero inoxidable (tamaño de partícula de malla 80, presión de 0,5 MPa) para equilibrar la dureza de la superficie y la resistencia a la corrosión.
2. Materiales cerámicos: endurecimiento mediante cambio de fase y control de daños
Cerámica de circonio: la presión del chorro de arena debe ser inferior a 0,25 MPa y el tiempo debe ser inferior a 20 segundos. Esto evitará que la profundidad del daño superficial sea mayor que el espesor de la capa de tensión de compresión (aproximadamente 50 μm). Alternativamente, se puede utilizar grabado láser con una densidad de energía baja (menor o igual a 5J/cm²) para evitar el agrietamiento térmico.
Cerámicas de nitruro de silicio: Para crear una estructura microporosa, el mejor método es el grabado químico (ácido mixto HF+HNO3). Para mejorar la fuerza adhesiva sin causar daño mecánico, se utiliza bloqueo mecánico.
3. Materiales compuestos: fortaleciendo el contacto y deteniendo la delaminación
La pulverización por plasma (potencia de 5 kW, caudal de argón de 30 l/min) se utiliza para crear una capa de transición metálica sobre la superficie del material compuesto reforzado con fibra de carbono. Esto hace que el recubrimiento se adhiera mejor y evita que las fibras se rompan cuando se arenan directamente.
El revestimiento láser (potencia de 2 kW, velocidad de escaneo de 10 mm/s) deposita revestimientos-resistentes al desgaste en la superficie de materiales compuestos a base de metal-. El aporte de calor se gestiona cuidadosamente para evitar que el sustrato y la fase de refuerzo se separen.
El punto principal es que las cualidades del material dictan qué tan adaptable es el proceso, y la base de datos "Desempeño del proceso de material" debe usarse para guiar el diseño de parámetros. Por ejemplo, la "Especificación del proceso de tratamiento de superficies" (GJB 5098-2008) establece la ventana de proceso para diferentes materiales en el ámbito de la aviación.