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材料采用表面强化技术的目的及意义

结构材料和工具材料的主要任务是保证其所制成的机械零件或工具在一定的工作条件下和一定的期限内能可靠地服役而不发生失效。断裂、腐蚀和磨损是金属材料制件的三种主要失效形式,据美国20世纪90年代初估算,这三种失效形式造成的经济损失达3000多亿美元,约占国民生成总值(GNP)的10%。三种失效形式所占比例相差不多,都超过GNP3%,其中腐蚀所造成的经济损失最高。我国也不例外,仅冶金矿山、农机、煤矿、电力和建材等部门的不完全统计,由于机件与材料抗磨损寿命低,每年因磨损报废或更换的备件达100多万吨,价值约20亿人民币。近年来,我国由国外引进近1000亿美元的机械装置,每年因磨损失效需要补充或更换的备件近10亿美元。原国家科委对金属腐蚀情况做过调查,每年损失达100200亿元人民币。如果考虑金属磨损、腐蚀造成的事故及维修等间接损失,其数值将相当可观。除磨损和腐蚀之外,疲劳断裂也往往是从受力最大的表面开始逐渐向内部发展的。因此,采用表面强化技术,提高机械零件的耐磨性和抗蚀性,从而提高机电产品质量、节省材料、节省能源,对于国民经济的可持续发展有十分重要的意义。

 

1)满足零件使用性能的要求,提高零件的服役寿命和可靠性。

现代工业和科学技术的发展,对机电产品的自动化、小型化、可靠性、耐久性的要求越来越高,零部件的服役条件也越来越恶劣。工作在高速、高载荷、高温高腐蚀环境下的零部件对材料表面使用性能的要求也就更苛刻。而在许多情况下,很难有同时能满足基体和表面性能要求且经济性好的材料。在这方面,表面强化技术正显示其重要地位和作用。例如,宇宙飞船、洲际导弹的飞行速度达几十倍音速,其外部构件与大气层摩擦产生的热量会使其外部构件的温度达40005000℃以上,几乎所有金属与合金都不能承受如此高温,只能依靠某些陶瓷材料,如氧化锆等隔热防火涂层。这些涂层可以降低基体温度,保护基体材料不致软化,保持足够的强韧性。合金钢有很好的强韧性,但硬度不是很高;陶瓷虽然有很高的硬度、红硬性、耐磨性,但脆性大。高速钢钻头、铣刀等刃具表面可以用气相沉积法获得几微米厚的TiN覆层,可提高使用寿命几倍,而且TiN色泽金黄,有很好的装饰作用。铝硅合金铸造性好、密度小、重量轻,很适宜制造汽车零件,其缺点是硬度低、耐磨性较差。Al-Si合金经激光加热表面NiCr合金化后,耐磨性比原材料提高3倍左右,使铝合金活塞的使用寿命提高2倍以上。在有些情况下,即使采用比较经济的、简单可行的表面强化技术,同样也能收到较好的效果,如硬质合金拉丝模,采用化学热处理渗硼后,与未处理的模具比较,拉低碳钢丝使用寿命可以提高7倍,拉高碳钢丝使用寿命可以提高2倍。

 

2)节省材料、节省能源。

我国“地大、物博、资源丰富”的概念,由于人口过多而大打折扣。以钢产量为例,目前世界人均钢量约200千克,发达国家在400500 千克以上。2000年我国产量达到10285吨,人均也只有100千克。钢材产量及品种短缺是今后若干年都会碰到的问题,每年需进口上千万吨,耗资4050亿美元。如果在1亿吨的基础上,只要节约1%100万吨,就相当于30 亿人民币。采用表面强化技术,减少磨损、腐蚀导致的材料消耗,不仅有助于缓和钢材供需矛盾,还可以用廉价的钢材代替贵重钢材,创造显著的经济效益。

表面强化技术对传统材料性能的优化是非常有效的,对磨损、腐蚀等凡是损伤从表面开始的零部件都有显著的效果。例如,炼油厂减压装置原用碳钢制造,腐蚀寿命仅1年,热浸渗铝后可使用1520年。该技术用于Q235钢制高速公路护栏,因该钢基体长期不氧化生锈,可节省大量钢材。

 

3)促进新材料和高新技术的发展。

任何工业产品,特别是信息产业的微电子产品要向复杂化、多功能化、小型化和高精度、高可靠性方向发展,就会对材料提出新的要求。可以说,没有新材料就没有高新技术产品。表面技术是开发和研究新材料的重要途径之一。薄膜材料厚度为亚微米级至微米级,可视为仅沿二维伸展的薄膜。二维伸展的薄膜因具有特殊的成分、结构和尺寸效应,能获得三维材料所没有的性能。薄膜材料的尺寸很小,又具有各种特殊功能,所以特别适于制造集成电路、光盘、磁盘、重要的光电子器件等。气相沉积技术可在基体表面形成各种功能膜,例如导电(金属)膜、绝缘(介质)膜、电阻膜、超导膜、磁性膜、压电膜及各种光学膜等,对大规模和超大规模集成电路的发展起着重要的作用。

 

 

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