表面强化技术在改善化工机械使用寿命中的应用

贺竟雄（陕西陕化煤化工集团有限公司， 陕西 华县 714100）



表面强化技术在改善化工机械使用寿命中的应用

贺竟雄（陕西陕化煤化工集团有限公司， 陕西 华县 714100）

摘要：化工机械在使用过程中往往会因为疲劳、磨损或化学物质的腐蚀等原因导致使用寿命变短。表面强化技术能够有效延长化工机械的使用寿命，为化工企业节约成本。本文对表面强化技术的原理和常见的几种技术进行介绍，并详细说明了表面强化技术在化工机械中的应用。

关键词：化工机械；表面强化技术；使用寿命；原理应用

随着化工企业的迅速发展，对化工机械的耐久性能和安全性能也有了更高的要求。化工机械和化工原料是化工企业的主要生产成本，有效延长化工机械的使用寿命能够为化工企业节约生产成本，为企业增值。化工机械的运作环境比较苛刻，因此很容易在生产过程中造成损伤，使用寿命缩短。影响化工机械使用寿命的主要因素如下：1）高温、低温环境下的温度应力，高温低温交替的运作对机械损伤最大；2）生产的化学用品可能存在腐蚀性，对机械产生腐蚀；3）高压环境对机械的不利影响；4）动力机械设备在转动、传动过程中存在磨损，也对使用寿命不利。表面强化技术的应用能够减少上述不利因素的影响，有效的延长化工机械的使用寿命。

1 表面强化技术的原理

表面强化技术是指对机械表面进行预处理，通过表面涂覆、表面改性或者是表面复合处理的手段，使固体金属表面或者是非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态发生改变，从而获得想要的表面性能。表面强化技术的应用能够延长零件的使用寿命，节约稀有昂贵材料，促进高新技术的发展。

2 表面强化技术的分类

表面强化技术一般可分为表面热处理、表面化学处理和表面机械处理等方法。

（1）表面热处理 表面热处理技术是通过对钢件表面的加热、冷却，从而改变钢件表层的力学性能。表面热处理的目的是使机械获得高硬度的表面层和所需的内应力分布，从而提高机械的耐磨性能和抗疲劳性能，延长机械的使用寿命。在实际应用中表面热技术主要应用于机械表层需要有较高的耐磨性和抗疲劳强度或是长期承受较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的部件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理可以分为表面淬火和化学热处理。

①表面淬火。表面淬火是指用不同的热源对表面强化构件进行快速加热，当构件的表面温度达到临界点后迅速冷却，此时由于构件内部的温度仍然低于临界点，这样就得到了表层淬硬而内部仍然保持原来的性质的构件，达到了表面强化的效果。应当注意的是，为了只让构件表面强化不影响内部构件的性质，因此要求所用热源具有较高的能量密度，能够集中对构件表面淬硬。根据加热方法的不同，表面淬火还可以分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。目前应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火。

②化学热处理。化学热处理是指将机械构件放入含有活性元素的介质中进行加热和保温，这样介质中的活性原子能够渗入构件表层或是形成某种化合物的覆盖层。通过改变机械构件表面的组织和化学成分，从而使构件的表面达到想要的机械或物理化学性能。在进行化学热处理的前后可以辅以其他合适的热处理，这样可以最大限度地发挥化学热处理的效果，使构件内部与表层在组织结构和性能达到最佳比例。根据渗入的活性原子的不同，可以将化学热处理分为：渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。

（2）表面形变强化处理 表面形变强化处理是指利用通过机械手段在机械构件表面进行压缩，从而在构件表面形成形变硬化层，达到表面强化的目的。在实际操作中形变硬化层的深度可以达到0.5mm～1.5mm。硬化层在性能上面有了全面的提高，主要体现在两个方面：一是组织结构发生变化，在经过压缩后内部组织的亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大，表面的强度硬度得到了很大提高；二是在硬化层内部形成了高的宏观残余压应力，残余应力的存在可以平衡因为疲劳荷载产生的疲劳应力，避免疲劳破坏，从而达到延长机械使用寿命的目的。根据机械手段的不同，形变强化处理可以分为：滚压表面强化、内挤压表面强化和喷丸表面强化等。在实际应用中使用最广泛的是喷丸表面强化，喷丸强化根据操作工艺的不同还可以分为：机械喷丸、激光喷丸、高压水射流喷丸、微粒冲击和超声喷丸等。实际应用表明表面形变强化技术能够有效对机械表面进行强化，提高机械的表面硬度和强度以及抗疲劳能力，延长机械的使用寿命。

（3）表面涂层处理 表面涂层处理是指在机械构件表面人为的形成与原材料表面各种性能不同的表层。在表面涂层使用的方法有：化学沉积和物理沉积两种。具体的涂层材料需要根据实际需要机械表面具有的性能来决定涂层材料。采用表面涂层技术对机械表面强化时由于表层的化学物质发生了变化，因此表面的主要性能表现为涂层材料的性能，使用耐腐蚀和抗磨损的涂层材料可以使机械的抗腐蚀性能和耐磨性能变强，延长机械使用寿命，另外利用涂层还可以使机械表面看起来更美观，具有装饰性。表面涂层技术由于表面性能取决于涂层材料的选择，因此具有很大的灵活性和适用范围，可以满足各种性能的要求。这种方法的弊端在于对涂层和机械构件表面的要求很高，具体操作流程复杂，必须保证涂层和机械表面有效粘结，防止新涂层与机械表层脱离的现象，否则就失去了表面强化的效果。

3 表面强化技术在化工机械的应用

表面强化技术已经在航空航天、航海、化工机械及电子等行业广泛应用，也取得了良好的效果，对于改善构件表面性能，延长构件使用寿命效果明显。本文主要对于化工机械方面的表面强化技术的应用进行介绍。

在化工机械的生产过程中，不同用途不同的机械部件对表层的要求也不同，需要根据不同的需求选择合适的表面强化技术进行强化。在化工机械中常见的可以用于表面强化技术的设备有以下几种。

（1）化工锅炉 影响化工锅炉的使用寿命的重要因素是应力破坏。首先机械设备在生产制造过程中，由于是钢材主要采取的是焊接技术进行连接，在机械连接处存在着残余的焊接应力。在生产过程中锅炉往往需要循环加热，在加热的过程中会形成温度应力，对机械构件产生破坏，循环加热的过程中还会产生疲劳损伤，也对机械本身不利。当锅炉中的化工液体具有腐蚀性时还会使锅炉腐蚀，造成化工液体渗出的现象，对安全生产不利。对化工锅炉进行表面强化时应该主要满足锅炉表面的耐腐蚀性和抗疲劳性能，主要对锅炉的内表面进行强化，可以采用化学热处理方法或者涂层方法，进行强化。

（2）压缩机 压缩机是化工企业使用率最高的器械之一，是生产过程中的动力设备。影响压缩机使用寿命的主要因素是机械零件的磨损。在实际的生产工作中，需要机械构件的不断运转来提供动力，齿轮、轴承等构件往往会承担很大的摩擦力，很容易因为零件磨损而破坏，而导致整个机械无法运行。在对压缩机进行表面强化时应该以提高零件耐磨损能力为主要目标，提高表面的硬度和强度，从而延长机械使用寿命。

（3）承压设备 承压设备由于常常处于高压环境下，因此对构件的强度要求较高。在进行承压设备表面强化时应该主要针对提高机械表面的抗压强度为目标进行表面强化设计。

4 结语

在化工产业生产过程中，化工机械经常处于高压、高温、高磨损和强腐蚀的环境中，机械不能达到设计的正常使用寿命。我们应该采取适当的表面强化技术对机械表面强化，从而延长机械使用寿命，节约企业生产成本，提高经济效益。

参考文献：

［1］姚世林，表面强化技术改善机械零部件使用寿命的重要作用分析［J］.工业技术.2015：109.

［2］王雷.表面强化技术在改善化工机械使用寿命中的应用［J］，化工机械，2013，04：699-702.