第七章 表面改性技术

• 不同表面处理后的表面残余应力及疲劳 极限如表6－8所示。表面滚压强化可获 得最高的残余应力。经喷九或滚压后， 疲劳极限也明显提高。
6．喷丸强化的效果检验
• 弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法， 同时又是控制和检验喷九质量的方法。 • 在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进 行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如f值符合 生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸 强度合格。这是控制和检验喷九强化质量的 基本方法。
（1）机械离心式喷丸机
• 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。
在形变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。
奥赫弗尔特理论
• 奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产 生取决于两个方面的机制： • 一方面由于大量弹丸压人产生的切应力 造成了表面塑性延伸； • 另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面 法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力 的结合。 • 在大多数材料中这两种机制并存。
一、表面强化方法
有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。
• 表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； • 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增 加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减 轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。
• 这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效 地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳 强度。
渗碳钢经喷丸后的残余压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥 氏体有相当大的一部分将转变成马氏体， 因相变时体积膨胀而产生压应力，从而 使得表层残余应力场向着更大的压应力 方向变化。
• 在相同喷丸压力下： • 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应 力层较深； • 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压 应力层较浅，且压应力值随深度下降很 快。 • 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或 表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸， 以获得较深的压应力层，使表面缺陷造 成的应力集中减小到最低程度。
（2）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臵多个喷嘴，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。
喷丸产生的残余压应力
• 经喷丸和滚压 后，金属表面产生 的残余压应力的大 小，不但与强化方 法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类 型、强度水平以及 材料在单调拉伸时 的硬化率有关。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或 铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应 力高，可达材料自身屈服点的2－4倍。 • 材料的硬化率越高，产生的残余压应力 越大。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全 覆盖率时，以此弧高度f定义为喷丸强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧 高度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总 面积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖 率达到表面积的100％即全面覆盖时，才 能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性 能。
2）喷丸强化改善Cr12钢制线切割落料模性能
•
Cr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回 火处理和线切割加工后直接使用时，堂呈折断失效，平均使 用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强 化处理工艺后，改善线切割落料模变质层的性能，使用寿命 可提高10万冲次。 此外，喷丸强化可使模具表层产生冷作硬化，改善表层 的应力状态和表面粗糙度，有效去除电火花加工时形成的表 面软化层，提高模具的疲劳强度、冲击磨损、应力腐蚀等使 用性能，可应用于冷冲模、冷镦模、热锻模和落料模等模具 以提高其疲劳性能。喷丸可使模具的使用寿命得到显著提高。
• 气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又 可分为： • 吸人式、重力式和直接加压式三种。 • 吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小 的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工 件尺寸较小、数量较少、弹丸大小经常变 化的场合，如实验室等。 • 重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于 密度和直径较大的金属弹丸。
• 常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼 光泽。
（7）液态喷丸介质
• 包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。 • 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压 缩空气喷射。
• 注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形 用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱 角毛刺，否则会损伤零件表面。 • 一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、 铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。
• 铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎 弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种 弹丸已很少使用。
• • （2）铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含 量有很大关系。
（3）钢丝切割弹丸
• 弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。
• 钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命 比铸铁弹丸高 20倍左右。
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第二节 表面淬火
热处理知识
• 热处理的本质：通过改 变组织达到改善金属的 机械性能。 • 热处理的4个工艺参数： 加热速度、加热温度、 保温时间、冷却速度。 • 热处理的4种工艺： 退火、正火、淬火、回火。
一、表面淬火技术的原理和特点
1 表面淬火原理 • 用特殊的加热方式将钢表面快速 加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共 析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁 表层发生马氏体相变，生成硬化层。
喷丸表层的组织变化
• 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性 变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶 界和晶粒细化现象。 • 喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表 层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构 向稳定态转变。
• 例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能 转变成马氏体而提高零件的疲劳强度； • 奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转 变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐 蚀能力下降。
（4）玻璃弹丸
• 近十几年发展起来的新型喷丸材料， 已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应 用。 • 脆性较大 。
（5）陶瓷弹丸
• 弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层 可获得较高的残余应力。
（6）聚合塑料弹丸
• 是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯 为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污 染环境，可连续使用，成本低，而且即 使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。
第七章 表面改性技术
采用某种工艺手段使材料表面获得与其基 体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
第一节 金属表面形变强化
表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一
• 一、表面形变强化原理
• 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。
二、表面形变强化的主要方法及应用
• （一）表面形变强化的 主要方法 • 1．滚压 • 目前，滚压强化用的滚 轮、滚压力大小等尚无 标准。 • 对于圆角、沟槽等可通 过滚压获得表层形变强 化，并能在表面产生约 5mm深的残余压应力， 其分布如图所示。
2．内挤压
• 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化 的工艺措施，效果明显
某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿 命在直接使用时为10700次；160℃/2h回火后，
寿命为11180次；研磨除去白硬层后使用时寿
命为4860次；研磨除去白硬层再160℃/2h回火 时寿命为7450次；磨削去除白硬层后寿命为 28743次；喷丸强化后，再进行160℃/2h回火 处理，模具寿命达到220000次。
• 有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不 锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶 瓷丸。
2．喷丸强化用的设备
• 喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式 可分为： • 机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。 • 喷丸机又有干喷和湿喷之分。 • 于喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合 在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作 条件有所改善。
• 弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材 料的表面强化层深度和残余应力分布的 综合值。 • 若需了解表面强化层的深度、组织结构 和残余应力分布情况，还应进行组织结 构分析和残余应力测定等一系列检验。
7．喷丸强化的应用实例
1） CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化
模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工、回火直接装配使用时， 常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也 不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加 在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷 丸和回火处理，可有效地去除白硬层和改善切割层的硬度与应力分布 状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状 态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层 施以喷丸和（120～160）℃/（6～10）h的时效处理，则可成倍地提高 模具寿命。
3．喷丸
• 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之 产生形变硬化层并引进残余压应力。 • 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、 轴、叶片、火车轮等零部件； • 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、耐点蚀（孔 蚀）能力。