浅谈金属的喷丸强化

浅谈金属的喷丸强化

摘要：喷丸是高速运动的弹丸流, 喷射在金属表面的加工过程。金属表层在弹丸的冲击作用下, 发生强烈的塑性变形, 这种塑性变形属于循环应变的性质。其结果使应变层内的组织结构和应力状态发生变化。

关键词：喷丸强化组织结构金属性能残余应力

一、喷丸强化原理

喷丸强化过程就是将高速运动的弹丸流连续向金属零件表面喷射的过程, 弹丸流

的喷射如同无数小锤向金属表面锤击, 使得金属表面层产生极为强烈的塑性形变, 从

而产生了冷作硬化层, 此层称为表面强化层。从应力状态来看强化层内形成较高的残余压应力；从组织结构来看强化层内形成了更加细小的亚晶粒组织。

二、金属的喷丸强化对组织结构及应力状态的影响

喷丸是高速运动的弹丸流, 喷射在金属表面的加工过程。金属表层在弹丸的冲击作用下, 发生强烈的塑性变形, 这种塑性变形属于循环应变的性质。其结果使应变层内的组织结构和应力状态发生变化。

1、昌粒变化、晶格咬变、镶嵌细化

零件表面在高速（70m／s）弹丸冲击下, 可使金属表层晶粒的形状、尺寸和方位发生变化, 晶格发生歪曲、畸变, 面间距发生变化。金属表层由于弹丸作用产生塑性变形, 镶嵌块Ε亚晶粒Η细化, 形成微细的镶嵌块组织。大量实验结果证明, 零部件表面镶嵌块越小, 其疲劳强度越高。微细的镶嵌块组织, 不仅能提高零件的室温疲劳强度,而且还能提高零件的高温疲劳强度。

2、微观应力

由于应变层内晶格产生畸变, 使亚晶粒之间产生很高的应力, 即微观应力。微观应力的存在, 对零件的疲劳强度也产生有利的影响。

3、显微组织转变

从表面上看, 喷丸似乎是一种冷变形加工过程, 其实不然, 当高速弹丸冲击零件

表面时, 金属表面受到瞬间局部高温加热。据沙维林测定的结果, 表面温度可达600度以上。在微观应力和瞬时高温作用下, 会使应变层内的显微组织发生转变。根据卡拉谢夫的研究, 渗碳淬火后的12Cr2Ni4 钢,经喷丸后可使残留奥氏体转变成马氏体。

4、宏现残余应力

用40Cr钢制成Alman试片, 经喷丸60s后, 在X射线应力仪上测得的残余压应力为

288MPa,40Cr钢制成的多次冲击试样, 经碳氮共渗处理后, 喷丸32s,测得试样轴向的残余压应力高达774MPa或。表面残余压应力可抵消外加的拉应力, 可提高零件的疲劳寿命。

此外, 喷丸强化可改善由于零件结构设计(如齿根圆角、花键槽)和表面加工痕迹或划伤引起的局部应力集中。喷丸强化对上述这些“先天的”疲劳源, 起到覆盖作用, 从而可缓和应力集中, 部分改善零的疲劳性能。

三、喷丸强化对金属性能的影响

1、硬度

喷丸后可提高金属的硬度。18CrMnTi钢渗碳淬火十低温回火后, 硬度为HRC60,喷丸后硬度为HRC64。40Cr钢淬火、230℃回火后, 硬度为HV550, 喷丸后硬度为HV690。奥氏体不锈钢喷丸后, 应变层的显微硬度可从HV230增加到HV460。

2、屈服强度

喷丸强化对金属材料的屈服强度提高有限, 这是由于材料在受轴向静拉伸时,横截面上的拉应力是均匀分布的。喷丸只强化表层, 次表层及心部未得到强化。有人对不同屈服强度的材料,经相同工艺喷丸后,在相同应力下做了疲劳试验。结果发现, 屈服强度高的材料, 其疲劳寿命长。可以认为,对高强度材料喷丸强化容易得到较好的效果。

3、弯曲疲劳强度

喷丸能显著提高弯曲疲劳强度。如承受交变载荷的汽车钢板弹簧, 经用冷拔钢丝进行喷丸后, 钢板弹簧几乎不发生弯曲疲劳破坏。受弯的轴类零件喷丸后, 弯曲疲劳寿命成倍提高。

喷丸也能提高多冲弯曲抗力。用40Cr钢, 经850℃碳氮共渗后直接淬火,200℃回火后喷丸。各组试样的喷丸时间和多冲寿命见表1所示。冲击能量选用4.7J。从表1中看出, 与不喷丸相比, 喷丸能使多冲寿命提高1.4～28倍。随着喷丸时间的增加, 多冲抗力提高的幅度也增加。可以看出喷丸时间不足, 将大大降低强化效果。

4、疲劳裂纹的萌生和扩展

20SiMn2MoVA钢试样,经900℃油淬, 200℃回火, 和三种不同喷丸强化工艺进行喷丸后, 与未经喷丸试样同时进行三点弯曲疲劳试验, 当载荷为19.6～980N 时, 所得到的条件疲劳裂纹萌生期N1见表2。

从表2可以看出, 喷丸可以大幅度地延长疲劳裂纹形核时间, 与未喷丸相比, 疲劳裂纹萌生期可以延长7～10倍。在同样试验条件下, 当载荷在15.7～3.1KN范围时, 喷丸试样的裂纹萌生期为未喷丸试样的11.6倍, 即应力水平越低, 效果越显著。在疲劳裂纹扩展初期, 喷丸可的扩展, 随着裂纹尺寸增大, 这种作用减弱并逐渐消失。

5、有脱碳层试样的疲劳性能

机械零件表层脱碳, 可降低疲劳寿命。35CrMn钢经860℃油淬，620℃×1.5h回火, 当表面存在约1mm脱碳层时, 材料的N1下降2／3～7／8 。材料强度越高, 影响越甚。对脱碳表面进行喷丸, 可以弥补脱碳造成的损失, N1可提高0.5～1倍(见表3)。这是由于喷丸使脱碳层发生形变强化,使硬度由HV85提高到HV302,因而提高了脱碳层的屈服强度。另一方面, 由于在脱碳层造成残余压应力, 从而抵消一部分外加拉应力, 使实际承受的有效应力降低。这两方面结合, 使疲劳裂纹形核时间大大推迟, 从而延长了无裂纹

疲劳寿命N1。

喷丸强化除具有上述优点外, 还能提高抗腐蚀疲劳和应力腐蚀的能力, 降低金属材料的疲劳缺口敏感度等。要提高喷丸强化效果, 在不改变喷丸工艺参数的条件下, 当前首要的工作是适当延长机件的喷丸时间, 力求达到喷丸饱和时间, 根据机件的材料、表面形状、热处理工艺, 以及表面硬度, 选择弹丸的材料、硬度、颗粒大小、喷角度和速度, 根据机件的失效部位及受力状态, 确定机件的喷丸部位, 循环使用的弹丸必须经常定期筛选, 及时去掉那些影响强化效果的破碎的尖角状弹丸, 机件喷丸后通过残余应力测定, 调整并确定最佳喷丸工艺参数。喷丸强化效果的好坏, 最终还是以考核机件的使用寿命为评定依据。

四、激光喷丸强化及特点

随着激光技术的广泛应用,人们很快认识到由激光诱导的等离子体可产生强烈的冲击。即当短脉冲(几到几十纳秒) 的高能量密度(～200J/ cm2 ) 的激光辐照金属表面时,金属表面的吸收层(黑漆) 吸收激光能量发生爆炸性汽化,汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成温( > 10 000 K) 、高压( > 1 GPa) 的等离子体,等离子体受到约束层(水或光学玻璃) 的限制,形成高强度压力冲击波,作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕,其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度,从而使材料产生密集、均匀和稳定的位错结构,同时冲击波贮藏的弹性变形能大于材料所需的屈服、塑性变形能,使表面材料发生屈服和冷塑性变形,同时在成形区域产生有益的残余压应力,其能消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的有害拉应力,从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。由于其强化原理类似喷丸,因此这种新型的表面强化技术称为激光喷丸。图1 为激光喷丸的示意图。吸收层(黑漆) 的作用是吸收激光能量,以产生等离子体爆炸形成激光冲击波,同时保护板料表面不受激光热损伤。约束层(水或光学玻璃)的作用是阻碍等离子体的膨胀,增强与激光能量的耦合,提高冲击波的压力。