表面改性技术

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。
（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响
（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影 响
（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响
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球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形 应是大量球坑的包络面。
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这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作用，可以减少 摩擦，提高耐磨性。
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。
2 表面淬火的分类
一般按加热源的名称分类
火焰表面淬火 高频感应表面淬火 等离子弧表面淬火
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。
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（3）钢丝切割弹丸
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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。
（4）玻璃弹丸
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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
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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。
• 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。
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试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度， 不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度，
（6）不同表面处理后的表面残余应力的比较
•
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
• 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。
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。
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。
• 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。
LOREM IPSUM DOLOR
• 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。
层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。
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。
（3）选定喷丸强化工艺参数
• 金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强
度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，
它由试验确定。
4．喷丸表面质量及影响因素
• (1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化。
• 金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、 扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要。晶 面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的。
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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。
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。
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。
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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。
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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。
二、表面形变强化的主要方法及应用
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（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
3．喷丸强化工艺参数的确定
合适的喷丸强化工艺参数要通过： 喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。 喷丸强度试验
弧高度
弧高度与时 间的关系
• 在对试片进行单面喷 丸时，初期的弧高度变 化速率快，随后变化趋 缓，当表面的弹丸坑占 据整个表面（即全覆盖 率）之后，弧高度无明 显变化，这时的弧高度 达到了饱和值。
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。
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。
喷丸硬度的 影响
• 表6－6为不同弹丸材料 对残余应力的影响。可 以发现，由于陶瓷丸和 铸铁丸硬度较高，喷丸 后残余应力也较高。
喷丸速度对表层残余应力有明显影响
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
LOREM IPSUM DOLOR
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。
• 材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。
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。
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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。
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。
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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；
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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。