表面工程学

1表面形变强化技术1.1概述腐蚀、磨损、断裂是机械零部件的三大失效形式，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大，而断裂失效中疲劳失效所占比例最高，民用机器零部件约占40%~50%，而军用和航空飞行的零部件则高达90%。

可见，研究疲劳断裂、探索疲劳断裂机制至关重要，表面形变强化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。

1.2表面形变强化原理表面形变强化基本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0.5mm～1.5mm。

硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力。

这两种变化使得金属表面的强度硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。

1.3表面形变强化工艺分类表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。

2喷丸强化工艺2.1喷丸喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

2.2喷丸强化的发展状况1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。

1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。

20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。

到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。

20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了20世纪90年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2]。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

2.3喷丸强化工艺的工作原理喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，它是将大量的高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到零件表面，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑性变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。

从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。

它已被广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件这个技术的关键是要根据零件的材料和形状特点控制弹丸流的速度和控制零件表面与弹丸流之间的相对运动。

喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。

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抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。

在实际生产中是通过弹丸（尺寸、硬度、破碎率等）、喷丸强度、表面覆盖率、表面粗糙度这4个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量的。

（1）喷丸强度影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。

弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。

喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。

喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。

对于喷丸强度，我们可以采用弧高度试片来测量。

如图所示，其中：h：试片厚度a：测量圆周直径ƒ：弧高度d：残余应力层的深度σ：平均残余压应力（2）表面覆盖率所谓覆盖率是指强化后表面弹坑占据的面积与总强化表面的比值。

喷丸覆盖率的影响因素有：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。

在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。

在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。

喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。

通常覆盖率要求在100% - 200%，有些零件，如曲轴应用可能要求覆盖率高于200%。

（3）表面粗糙度的影响因素表面粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。

在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。

当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。

喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产成本低，经济效益好，强化效果明显。

近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。

如喷丸强化在汽车的螺旋弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、连杆、凸轮轴、曲轴等组件上均有应用。

2.3.1喷丸强化所用弹丸喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三种。

喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征：a）较高硬度和强度；b）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系；c）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；（1）钢丝切丸钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用最多的是用弹簧钢做成的钢丸，它的最适宜的硬度为HRC=45~50。

它的成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面，在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢丝切丸。

预钝化钢丝切丸分为G1、G2、G3三种类型，具有良好的综合机械性能。

一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件硬度。

（2）铸钢丸铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、选圆、二次淬火、回火筛分制成。

其硬度可根据回火温度不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为回火屈氏体或回火马氏体。

铸钢丸不同于钢丝切丸，他会破碎，从而在循环使用时划伤工件，而且铸钢丸硬度越大，抛丸速度越高，破裂越严重。

为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为HRC48~52的铸钢丸，喷丸强度较低时可用铸钢丸。

喷丸强度较高时，严禁使用铸钢丸。

（3）玻璃丸玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于HRC46~50，外观为实心球体。

使用中破碎率高，造成使用成本偏大。

所以目前仅限用于对表面粗糙度有特殊要求的关键结构零件。

此外,还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等。

需要注意的是，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是因球形，切忌有棱角，以免损伤零件表面。

一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。

有色金属和不锈钢制件则应避免采用铸铁或钢丸进行喷丸强化，因为附着于零件表面的铁粉会导致零件表面的电化学腐蚀。

2.3.2喷丸强化所用设备喷丸强化用的设备主要有两种结构形式：气动式与机械离心式。

（1）气动式喷丸机气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。

这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。

而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。

适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。

它的缺点是功耗大，生产效率低。

按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式三种类型。

a、吸入式喷丸机压缩空气从喷嘴射出时，在喷嘴内腔导丸口处形成负压，将下部贮丸箱的弹丸吸入喷嘴内腔，随压缩空气由喷嘴射出，喷向被强化零件表面。

b、重力式喷丸机、将弹丸提升到一定高度，借助弹丸自重由上至下流入喷嘴，由压缩空气带动，由喷嘴喷向被强化零件。

c、直接加压式喷丸机弹丸与压缩空气首先在混合室内混合，再通过导丸管共同进入喷嘴，由喷嘴射出，喷向被强化零件。

（2）机械离心式抛丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。

工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。

弹丸离开叶轮的切向速度为45m／s－75m／s。

这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高。

主要适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零部件。

离心式抛丸机工作原理与重力式气动喷丸机基本相同，不同之处在于用抛丸器代替了喷嘴。

2.4喷丸种类2.4.1机械喷丸大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；（3）受环境污染的限制。

因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。

2.4.2激光喷丸激光喷丸强化是一项新技术。

20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；（5）适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用。