O tratamento de superfície enfraquecerá a resistência das peças?

一, O principal objetivo do tratamento de superfície é fortalecer e endurecer ao mesmo tempo.
O tratamento de superfície não é apenas uma tecnologia; seu principal objetivo é melhorar o desempenho, modificando a forma como as superfícies dos materiais são estruturadas e tensionadas. Existem dois tipos principais de tratamento de superfície com base em como funcionam:
1. Tratamento aprimorado: torna a superfície mais dura e resistente ao desgaste
Reforço do shot peening: esse método usa projéteis de alta-velocidade para atingir a superfície e criar uma camada de tensão compressiva residual com até 0,5 mm de espessura. Isto pode aumentar a resistência à fadiga em mais de 200%. Por exemplo, o shot peening pode fazer com que a vida em fadiga das pás dos motores de aviação dure mais de 10 ^ 7 ciclos de carga, passando de 500 horas para 1.500 horas.
Peening de choque a laser: um laser de alta-energia cria ondas de choque de plasma que criam uma camada-de 1mm de profundidade de tensão compressiva residual na superfície. Isso diminui o tamanho do grão, o que torna as peças de liga de titânio três vezes mais resistentes à fadiga.
Cementação/nitretação: Um tratamento térmico químico cria uma camada de carboneto ou nitreto muito dura na superfície (até 1200HV), o que torna a superfície muito mais resistente ao desgaste. Após a cementação, a dureza da superfície das engrenagens automotivas passou de 35HRC para 60HRC, e a vida útil das engrenagens foi estendida cinco vezes.
2. Tratamento de endurecimento: retarda a propagação de fissuras
Laminação de superfície: Ao rolar um rolo sobre a superfície, as imperfeições de processamento são removidas e é criada uma tensão de compressão residual. Isso diminui em 60% a taxa de propagação de rachaduras nas peças de liga de alumínio.
Tenacidade por transformação de fase: Para materiais como cerâmica de zircônia, o jato de areia faz com que a superfície mude da fase t para a fase m. A tensão de compressão da expansão do volume é então usada para combater a força que causa a propagação das fissuras, o que faz com que a resistência à flexão aumente de 15% a 20%.
Conclusão principal: O tratamento de superfície cientificamente projetado pode tornar as peças muito mais resistentes em vez de mais fracas, usando métodos como tensão de compressão residual, refinamento de grãos e tenacidade por transformação de fase.
2, O perigo do mau artesanato: o ponto chave entre melhorar a força e piorar o desempenho
O tratamento de superfície pode tornar as coisas mais resistentes, mas se os parâmetros do processo não forem regulados ou os materiais não funcionarem bem juntos, a resistência pode diminuir. Isto se deve principalmente aos três mecanismos a seguir:
1. Muito endurecimento faz com que as coisas quebrem facilmente.
Uma empresa utilizou tratamento de cementação de temperatura excessiva em válvulas de aço inoxidável para torná-las mais resistentes ao desgaste. Isso tornou a camada de metal duro na superfície mais espessa que 0,8 mm e os carbonetos se acumularam nos limites dos grãos, o que causou rachaduras e fez com que a válvula falhasse no início do teste de pressão.
Mecanismo: Quando a dureza da superfície é superior ao limite de tenacidade do material do núcleo, é provável que as fissuras se espalhem da camada dura e quebradiça para o núcleo macio. Isso é chamado de modo de falha “duro e frágil”.
2. A tensão de tração residual acelera o início de fissuras.
Caso: O tratamento de galvanoplastia inadequado causou o acúmulo de tensão de tração residual no contato entre o revestimento e o substrato de um determinado eixo da caixa de câmbio de um carro. A densidade de fissura aumentou três vezes quando a amostra foi submetida a tensões alternadas.
Mecanismo: Se a galvanoplastia, o revestimento químico e outros processos não mantiverem o estado de tensão do revestimento sob controle, a tensão de tração poderá ser adicionada para equilibrar o efeito de fortalecimento da tensão de compressão da superfície.
3. Danos à superfície provocam o aumento do estresse.
Após serem jateados com alta pressão, surgiram microfissuras na superfície dos implantes cerâmicos de zircônia. Em testes simulados de mastigação, a taxa de propagação de fissuras foi duas vezes mais rápida que a das amostras não tratadas. Isto significava que o perigo de fratura precoce no uso clínico era muito maior.
Mecanismo: Se as configurações para tratamentos mecânicos como jateamento de areia e esmerilhamento estiverem erradas (por exemplo, se a pressão for muito alta ou as partículas abrasivas forem muito pequenas), a superfície pode ser danificada mais profundamente do que a camada de tensão compressiva, o que pode causar o início de uma fratura.
O ponto principal é que o efeito negativo do tratamento de superfície na resistência é causado pelo mau processamento, e não pela técnica em si. Para eliminar riscos, você deve otimizar os parâmetros e testar a qualidade.
3, Propriedades do material e adaptabilidade do processo: a ideia principal por trás da otimização da resistência
Os atributos físicos de diferentes materiais, como quão duros ou tenazes eles são e como mudam de fase, afetam diretamente a forma como você escolhe e configura as técnicas de tratamento de superfície. A seguir estão maneiras comuns de modificar materiais:
1. Materiais metálicos: equilíbrio entre tensão de compressão residual e dureza
Liga de titânio: Shot peening (com diâmetro de 0,6 mm e pressão de 0,4 MPa) é o primeiro passo para evitar arranhões na superfície com abrasivos agressivos como carboneto de silício. Após o processamento, é necessária uma lavagem com ácido para eliminar quaisquer abrasivos que tenham ficado presos na superfície.
Liga de alumínio: Para criar tensão de compressão residual sem tornar a superfície muito áspera ou diminuir sua resistência à fadiga, o jato de areia com esfera de vidro (com tamanho de partícula de 120 mesh e pressão de 0,3 MPa) é usado em combinação com anodização.
Aço inoxidável: usando nitretação-de baixa temperatura (520 graus) e jateamento de aço inoxidável (tamanho de partícula 80 mesh, pressão 0,5 MPa) para equilibrar a dureza da superfície e a resistência à corrosão.
2. Materiais cerâmicos: endurecimento através de mudança de fase e controle de danos
Cerâmica de zircônia: A pressão do jato de areia deve ser inferior a 0,25 MPa e o tempo deve ser inferior a 20 segundos. Isto evitará que a profundidade do dano superficial seja maior que a espessura da camada de tensão compressiva (aproximadamente 50 μm). Alternativamente, a gravação a laser com baixa densidade de energia (menor ou igual a 5J/cm²) pode ser usada para evitar fissuras térmicas.
Cerâmica de nitreto de silício: Para fazer uma estrutura microporosa, o ataque químico (ácido misto HF + HNO3) é o melhor método. Para melhorar a resistência adesiva sem causar danos mecânicos, é utilizado travamento mecânico.
3. Materiais compósitos: fortalecendo o contato e impedindo a delaminação
A pulverização de plasma (potência de 5 kW, vazão de argônio de 30 L/min) é usada para fazer uma camada de transição de metal na superfície do material compósito reforçado com fibra de carbono. Isso faz com que o revestimento adira melhor e evita que as fibras se quebrem quando são jateadas diretamente.
O revestimento a laser (potência de 2 kW, velocidade de digitalização de 10 mm/s) deposita revestimentos-resistentes ao desgaste na superfície de materiais compostos-à base de metal. A entrada de calor é cuidadosamente gerenciada para evitar que o substrato e a fase de reforço se separem.
O ponto principal é que as qualidades do material determinam o quão adaptável é o processo, e o banco de dados “Material Process Performance” deve ser usado para orientar o projeto dos parâmetros. Por exemplo, a “Especificação de Processo de Tratamento de Superfície” (GJB 5098-2008) definiu a janela de processo para diferentes materiais na área de aviação.