第六章 表面改性技术1

喷丸强化原理： 1）形成形变硬化层， 在此层内产生两种变化： 一是亚晶粒极大的细 化，位错密度增高，晶 格畸变增大； 二是形成了高的宏观 残余压应力。 2）表面粗糙度略有增 大，但却使切削加工的 尖锐刀痕圆滑。
6.1 金属表面形变强化
第六章 表面改性技术
表面强化层的组织 变化：
6.1 金属表面形变强化
一、感应加热表面淬火 目前应用最广、发展最快的一种表面热处理方法。
“集肤”效 应 主要适用于大批量生 产的轴、齿轮等零件。
第六章 表面改性技术
一、感应加热表面淬火
6.2 表面热处理
感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交 变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集 肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方 法。 集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导 体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电 流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表 层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效 用越显著。
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6.2 表面热处理
表面淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏 体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组 织的一种淬火工艺。
表面淬火的加热方法有多种，如感应加热、火 焰加热、电接触加热、电解液加热等。其中最常用 的是火焰加热和感应加热两种。
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6.2 表面热处理
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6.1 金属表面形变强化
2）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：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%。
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6.2 表面热处理
600mm冷轧辊工频淬火
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6.2 表面热处理
大型铸钢件工频淬火
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6.2 表面热处理
各种感应加热器
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二、火焰加热表面淬火
6.2 表面热处理
利用氧-乙炔火焰将钢件表层迅速加热到淬火温 度，然后立即喷水冷却以实现表面淬火的方法。其 淬硬层一般为2-6mm。
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6.1 金属表面形变强化
3）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。
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喷丸强化设备主要有两类：
6.1 金属表面形变强化
（2）气动式喷丸机适用于要求喷丸强度较低、 品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。
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6.1 金属表面形变强化
（2）气动式喷丸机 压缩空气式
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6.1 金属表面形变强化
重力式喷丸机结构 比吸入式复杂，适合 使用比重、直径较大 的金属弹丸。
淬火后工件断面组织
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一、感应加热表面淬火 感应淬火后零件的表面性能 ①高额感应淬火时，在零件 表层中产生较大的压应力， 抗疲劳性能增强； ②感应淬火时马氏体组织细 小，碳化物弥散细小，硬度 高。 ③感应淬火时零件经受激烈 的喷水冷却，使残余奥氏体 量较少，故硬度较高。 ④氧化、脱碳小，组织性 能稳定。
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6.1 金属表面形变强化
直接加压式喷丸 机
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6.1 金属表面形变强化
表示喷丸强化质量的三个参数：喷丸强度、覆盖率、 表面粗糙度。
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6.1 金属表面形变强化
1）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。 在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变 形的拱高。
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表面强化层的组织：
6.1 金属表面形变强化
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6.1 金属表面形变强化
强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表 面层由于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲 线上有“抬头”现象。
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6.1 金属表面形变强化
疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加
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6.1 金属表面形变强化
喷丸强化用的弹丸，常用的有三种： 1) 铸铁弹丸 碳质量分数物为2.75-3.60％，硬度 约为HRC58-65,退火后硬度为HRC30-57 。铸铁弹 丸的价格低廉。 2) 钢弹丸 当前使用的钢弹丸一般是将含碳量为 0.7％的弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆 加工制成，直径为0.4-1.2mm。硬度HRC45-50为 最适宜。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。 3) 玻璃弹丸 其应用是在近十几年发展起来的， 已在国防工业中获得应用。玻璃弹丸的直径为 0.05—0.40 mm范围,硬度HRC46-50。 此外,还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等。
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阿尔门试验
6.1 金属表面形变强化
弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称 Almen试 片。试片分N、A、C三种 ，其材料和硬度都有规定，长度和 宽度也固定，只是厚度不同。其中应用较多的为A试片(厚 1．27mm)，适用于中等喷丸强度。 试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件 下进行的喷射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度 的量度。弧高度单位用mm表示。例如，30A表示 A试片弧高 度为0．3mm。 图为不同弹丸速度和喷丸时间的弧高度值曲 线。当喷丸 时间延长时，弧高度先增大，之后逐渐平 稳，呈饱和趋势。 弹丸速度提高(喷丸机叶轮转速提 高)，则弧高度全面增大。 生产实际中以弧高度的饱和 值作为喷丸强度。
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二、火焰加热表面淬火
6.2 表面热处理
火焰加热表面淬火设备简单，成本低，但易使钢 件表面过热，质量控制比较困难。因此，它主要适 用于单件、小批量生产以及大型零件如大型齿轮、 轴、轧辊等的表面淬火。铜或石墨材质) 和工件的接触电阻，低 电压、大电流，使触点 温度迅速上升。将触点 以一定速度移过工件表 面，即可将表层加热至 淬火温度，并在工件自 身的冷却下淬硬。本法 简易可行，适于大件的 局部表面淬火，如机床 导轨、气缸套等。
6.1 金属表面形变强化
金属表面形变强化方法及其应用 常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷丸、滚 压和内孔挤压等强化工艺。 表面滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过 该方法获得表层形变强化，并引进残余压应力。 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施， 效果显著。 表面滚压
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6.1 金属表面形变强化
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。
喷丸强化在汽车上的应用
凡是承受交变载荷的零件都用喷丸强化工艺。如螺旋 弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、连杆、凸轮轴、 曲轴等。 汽车板簧的工艺路线：扁钢间断-加热压弯成型-淬火中 文回火-喷丸-装配
6.2 表面热处理
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四、电解液加热表面淬火
6.2 表面热处理
以工件作阴极，置于电解液中(常用5％～20％碳酸钠水 溶液)，以电解槽为阳极，通入200～300V直流电。由于 电解作用使阴极(工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有 大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。 停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的 局部表面淬火。
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6.1 金属表面形变强化
零件在服役过程中往往由于表面强度不足， 或者耐腐蚀性能差，而疲劳破损失效。因此，改 善和提高材料的表面性能，就成为提高疲劳强度、 延长使用寿命的重要工艺措施。表面形变强化就 是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，金属 表面喷丸强化工程就是其代表性技术。
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喷丸强化
6.1 金属表面形变强化
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需采用不锈钢 丸或玻璃丸。
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6.1 金属表面形变强化
喷丸强化设备主要有两类： （1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、 品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。