表面喷丸强化技术
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表面喷丸强化技术
一、喷丸强化概述 二、喷丸强化原理
三、喷丸强化工艺参数
四、喷丸强化设备
一、喷丸强化概述
喷丸强化是高速运动的弹丸喷射材料表面并使其表 层发生塑性变形的过程。
喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料
表面附近形成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为
0.1～0.8mm。
合理利用引入表面塑性变形层的
1、残余压应力场 2、变形显微组织
3、残余奥氏体向马氏体转变
可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力。
同时，即使是精加工后的表面，仍然存在着加工的刀痕，往
往是疲劳裂纹的起源。
喷丸处理除了产生应力强化和组织强化外，咳可以有效消除 这些加工刀痕。
历史上讲，喷丸强化是本世纪三十年代发展起来的一种表面 强化工艺，首先应用于汽车制造中的各种弹簧，一提高其疲劳 寿命。 目前，喷丸工艺在国外，已广泛应用于铝合金、钛合金、镁 合金、不锈钢、结构钢、高强和超高强钢、高温合金及粉末冶 金等零构件。
（2）重力式气动喷丸机
这类喷丸机，弹丸依靠专门的提升机构上升到一定高度，然后
经过弹丸分离器，按所需流量进入喷嘴。
重力式喷嘴机的喷嘴与吸入式相同，工作时的区别在于弹丸是
赖自重进入喷嘴，因此，能比较好地控制弹丸速度和弹流量。
重力式气动喷丸机结构比吸入式复杂，时候使用比重、直径较
大的金属弹丸。
2、叶轮式离心喷丸机
（3）喷丸强度 在其它喷丸强化工艺参数固定的条件下，试片的弧高度值 起初随着喷丸时间而迅速增高，但随后逐渐变缓，最终达到饱和
或准饱和。
过饱和点后弧高度值与喷丸时间之间成线性关系。直线段 外推与曲线的偏离点为饱和点，饱和点处的弧高度值，称为喷丸
强度。
（4）表面覆盖率 在被喷丸零件表面的规定部件上，弹痕占据的面积与要求喷 丸强化的面积的比值，称为表面覆盖率。 当喷丸覆盖率低于100%时，可用工具显微镜直接测量。
3、特殊喷丸工艺
（1）二次喷丸
（2）热喷完
（3）预备应力喷丸 （4）复合喷丸强化
四、喷丸强化设备
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都装机工件 的受喷表面。
气动式喷丸机可以安置多个喷嘴，其位置和方向调整方
便，能最大限度地适应受喷件的几何形状。
可利用压缩空气的压强来调节喷丸强度，操作比较灵活。
对于实际零件的喷丸，其覆盖率肯定是超过100%时，覆盖
率计算公式为
（实际喷丸时间/覆盖率100%喷丸时间）×100%
wk.baidu.com
2、喷丸强化工艺参数的选择原则
在低喷丸强度范围内，疲劳强度随喷丸强度增高逐 渐增高，但超过一定喷丸强度之后，疲劳强度则开始下 降。 对于任一种材料，在其尺寸、加载方式及环境等条 件不变的情况下，均有一个最佳的喷丸强度，此时可获 得最佳的强化效果。
由弹丸送进管1通过弹丸控制 阀2进入高速旋转的叶轮3中心，
被叶片4离心力抛出。
改变分配器5的开口位置，可
以控制弹丸的喷射方向。
弹丸的速度，取决于叶轮转速和弹丸质量。通常，叶轮转速在 1500～3000rpm之间。 叶轮式喷丸机的优点，是弹流量大、生产效率高，很适合于大 尺寸表面的强化喷丸。
由于叶轮式固定的，喷丸时只能把零件的受喷面移进弹丸流内， 不适宜形状复杂的零件。
（1）吸入式气动喷丸机 压缩空气通过喷嘴的弹与
气的混合室，在弹丸的入
口处形成负压，压缩空气 将弹丸从贮丸箱内吸入气 流中，使弹丸被加速。
吸入式喷丸机适于玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸， 弹丸很难由
负气压吸入喷嘴。
喷丸机工作时，喷嘴与工件被喷面需保持一定距离，列如 100～250mm范围，而且喷嘴与喷面还需保持一定角度。 喷丸机工作时，工作台带动工件旋转，使受喷表面均匀覆盖。
2、组织强化
喷丸应变层内的组织结构，包括位错密度及形态、晶粒形
状、亚晶粒尺寸、相转变等方面均发生变化。
对于多数材料，喷丸应变层内的位错密度增高、晶体点阵 畸变增大，亚晶粒细化。
这些因素，都可以阻碍疲劳裂纹在材料表面和次表面的萌
生，延长疲劳裂纹成核寿命。
有时，喷丸处理会导致表面粗糙度增大，这会给材料的 疲劳强度带来损失。 但是，喷丸处理导致粗糙度增高所带来的疲劳强度损失， 总是小于应力强化和组织强化所带来的疲劳强度增益。 而且，还可以通过工艺参数，改变喷丸后的表面粗糙度， 从而获得最佳的强化效果。
三、喷丸强化工艺参数
包括弹丸直径及硬度，弹丸速度及流量，喷射角度及时间，
喷嘴至零件表面的距离。 而在一定的喷丸强度和表面覆盖率具有一定的喷丸强化效 果。 通过要求控制和检验的喷丸工艺参数，主要是弹丸尺寸和 形状、弹丸强度及表面覆盖率，而其中最重要的是喷丸强度。
1、喷丸参数
（1）弹丸
它是喷丸强化工艺中使用的形状为球形或无棱角的
二、喷丸强化原理
在弹丸冲击下，材料表层产生循环塑性应变，材料
层发生四种变化：
1、表面粗糙度发生变化 2、表层引入残余压应力场
3、表层形成塑性形变细化组织
4、表层残余奥氏体向马氏体转变
1、应力强化
喷丸引入材料表层的残余应力沿表层深度的分布如图。其中， 残余压应力的深度 c 随着材料强度和喷丸工艺参数而变化。
圆柱形且均为实心的介质材料。
喷丸强化使用的弹丸包括玻璃丸、铸钢丸、不锈钢
丸、切制钢丝、陶瓷丸、塑料丸等。
（2）弧高度试片及弧高度值 用65Mn冷轧弹簧钢带制成的测量喷丸强度的标准试片就是 弧高度试片。 试片单面在弹丸冲击下，表面层发生塑性变形，由此导致试 片想喷射面呈球面状弯曲。 基准面至球面最高点的距离成为弧高度。
一、喷丸强化概述 二、喷丸强化原理
三、喷丸强化工艺参数
四、喷丸强化设备
一、喷丸强化概述
喷丸强化是高速运动的弹丸喷射材料表面并使其表 层发生塑性变形的过程。
喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料
表面附近形成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为
0.1～0.8mm。
合理利用引入表面塑性变形层的
1、残余压应力场 2、变形显微组织
3、残余奥氏体向马氏体转变
可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力。
同时，即使是精加工后的表面，仍然存在着加工的刀痕，往
往是疲劳裂纹的起源。
喷丸处理除了产生应力强化和组织强化外，咳可以有效消除 这些加工刀痕。
历史上讲，喷丸强化是本世纪三十年代发展起来的一种表面 强化工艺，首先应用于汽车制造中的各种弹簧，一提高其疲劳 寿命。 目前，喷丸工艺在国外，已广泛应用于铝合金、钛合金、镁 合金、不锈钢、结构钢、高强和超高强钢、高温合金及粉末冶 金等零构件。
（2）重力式气动喷丸机
这类喷丸机，弹丸依靠专门的提升机构上升到一定高度，然后
经过弹丸分离器，按所需流量进入喷嘴。
重力式喷嘴机的喷嘴与吸入式相同，工作时的区别在于弹丸是
赖自重进入喷嘴，因此，能比较好地控制弹丸速度和弹流量。
重力式气动喷丸机结构比吸入式复杂，时候使用比重、直径较
大的金属弹丸。
2、叶轮式离心喷丸机
（3）喷丸强度 在其它喷丸强化工艺参数固定的条件下，试片的弧高度值 起初随着喷丸时间而迅速增高，但随后逐渐变缓，最终达到饱和
或准饱和。
过饱和点后弧高度值与喷丸时间之间成线性关系。直线段 外推与曲线的偏离点为饱和点，饱和点处的弧高度值，称为喷丸
强度。
（4）表面覆盖率 在被喷丸零件表面的规定部件上，弹痕占据的面积与要求喷 丸强化的面积的比值，称为表面覆盖率。 当喷丸覆盖率低于100%时，可用工具显微镜直接测量。
3、特殊喷丸工艺
（1）二次喷丸
（2）热喷完
（3）预备应力喷丸 （4）复合喷丸强化
四、喷丸强化设备
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都装机工件 的受喷表面。
气动式喷丸机可以安置多个喷嘴，其位置和方向调整方
便，能最大限度地适应受喷件的几何形状。
可利用压缩空气的压强来调节喷丸强度，操作比较灵活。
对于实际零件的喷丸，其覆盖率肯定是超过100%时，覆盖
率计算公式为
（实际喷丸时间/覆盖率100%喷丸时间）×100%
wk.baidu.com
2、喷丸强化工艺参数的选择原则
在低喷丸强度范围内，疲劳强度随喷丸强度增高逐 渐增高，但超过一定喷丸强度之后，疲劳强度则开始下 降。 对于任一种材料，在其尺寸、加载方式及环境等条 件不变的情况下，均有一个最佳的喷丸强度，此时可获 得最佳的强化效果。
由弹丸送进管1通过弹丸控制 阀2进入高速旋转的叶轮3中心，
被叶片4离心力抛出。
改变分配器5的开口位置，可
以控制弹丸的喷射方向。
弹丸的速度，取决于叶轮转速和弹丸质量。通常，叶轮转速在 1500～3000rpm之间。 叶轮式喷丸机的优点，是弹流量大、生产效率高，很适合于大 尺寸表面的强化喷丸。
由于叶轮式固定的，喷丸时只能把零件的受喷面移进弹丸流内， 不适宜形状复杂的零件。
（1）吸入式气动喷丸机 压缩空气通过喷嘴的弹与
气的混合室，在弹丸的入
口处形成负压，压缩空气 将弹丸从贮丸箱内吸入气 流中，使弹丸被加速。
吸入式喷丸机适于玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸， 弹丸很难由
负气压吸入喷嘴。
喷丸机工作时，喷嘴与工件被喷面需保持一定距离，列如 100～250mm范围，而且喷嘴与喷面还需保持一定角度。 喷丸机工作时，工作台带动工件旋转，使受喷表面均匀覆盖。
2、组织强化
喷丸应变层内的组织结构，包括位错密度及形态、晶粒形
状、亚晶粒尺寸、相转变等方面均发生变化。
对于多数材料，喷丸应变层内的位错密度增高、晶体点阵 畸变增大，亚晶粒细化。
这些因素，都可以阻碍疲劳裂纹在材料表面和次表面的萌
生，延长疲劳裂纹成核寿命。
有时，喷丸处理会导致表面粗糙度增大，这会给材料的 疲劳强度带来损失。 但是，喷丸处理导致粗糙度增高所带来的疲劳强度损失， 总是小于应力强化和组织强化所带来的疲劳强度增益。 而且，还可以通过工艺参数，改变喷丸后的表面粗糙度， 从而获得最佳的强化效果。
三、喷丸强化工艺参数
包括弹丸直径及硬度，弹丸速度及流量，喷射角度及时间，
喷嘴至零件表面的距离。 而在一定的喷丸强度和表面覆盖率具有一定的喷丸强化效 果。 通过要求控制和检验的喷丸工艺参数，主要是弹丸尺寸和 形状、弹丸强度及表面覆盖率，而其中最重要的是喷丸强度。
1、喷丸参数
（1）弹丸
它是喷丸强化工艺中使用的形状为球形或无棱角的
二、喷丸强化原理
在弹丸冲击下，材料表层产生循环塑性应变，材料
层发生四种变化：
1、表面粗糙度发生变化 2、表层引入残余压应力场
3、表层形成塑性形变细化组织
4、表层残余奥氏体向马氏体转变
1、应力强化
喷丸引入材料表层的残余应力沿表层深度的分布如图。其中， 残余压应力的深度 c 随着材料强度和喷丸工艺参数而变化。
圆柱形且均为实心的介质材料。
喷丸强化使用的弹丸包括玻璃丸、铸钢丸、不锈钢
丸、切制钢丝、陶瓷丸、塑料丸等。
（2）弧高度试片及弧高度值 用65Mn冷轧弹簧钢带制成的测量喷丸强度的标准试片就是 弧高度试片。 试片单面在弹丸冲击下，表面层发生塑性变形，由此导致试 片想喷射面呈球面状弯曲。 基准面至球面最高点的距离成为弧高度。