對于表面形變強化技術(shù)的現(xiàn)狀分析(一)

1、對于外表形變強化技術(shù)的現(xiàn)狀分析 一摘要：外表強化是近年來國內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一。常用的金 屬外表形變強化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝，其強化效果 顯著，本錢低廉。筆者主要概括了外表強化技術(shù)的分類、 目的和作用， 分析了形變強化方法的特點以及目前外表強化主要研究方法的現(xiàn)狀和 開展趨勢。關(guān)鍵詞：外表形變；強化技術(shù)；滾壓；內(nèi)擠壓；噴丸引言 材料外表處理技術(shù)簡稱材料外表技術(shù)，是材料科學(xué)的一個重要分支， 是在不改變基體材料的成分和性能或雖有改變而不影響其使用的 條件下，通過某些物理手段包括機(jī)械手段或化學(xué)手段來賦予材料 外表特殊性能，以滿足產(chǎn)品或零件使用需要的技術(shù)和工藝。材料外表 技術(shù)在工業(yè)中

2、的應(yīng)用， 大幅度提高了產(chǎn)品 尤其是金屬零件 的性能、 質(zhì)量和壽命，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因而深受各國政府和科技界 的重視。 1 外表形變強化原理 通過機(jī)械手段滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等在金屬外表產(chǎn)生壓縮變形，使外表形成形變硬化層此形變硬化層的深度可達(dá)0.51.5mm,從而使外表層硬度、強度提高。 2 外表形變強化工藝分類 外表形變強化主要有噴拋丸、滾壓和孔擠壓等三種工藝。 2.1 噴丸 強化工藝 噴丸是國內(nèi)外廣泛使用的一種在再結(jié)晶溫度以下的外表強化方法，可 顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動磨損、耐蝕點孔蝕能力，它具有操作簡單、耗能少、效率高、適應(yīng)面廣 等優(yōu)點，是金屬材料外表改

3、性的有效方法。噴丸強化的開展?fàn)顩r1908 年 ,美國制造出激冷鋼丸 ,金屬彈丸的出現(xiàn)不僅使噴砂工藝獲得迅 速開展 ,而且導(dǎo)致了金屬外表噴丸強化技術(shù)的產(chǎn)生。 1929 年,在美國由 Zimmerli 等人首先將噴丸強化技術(shù)應(yīng)用于彈簧的外表強化 ,取得了良好 的效果 1。20世紀(jì) 40年代，人們就發(fā)現(xiàn)了噴丸處理可在金屬材料外表 上產(chǎn)生一種壓縮應(yīng)力層，可以起到強化金屬材料、阻止裂紋在受壓區(qū) 擴(kuò)展的作用。到了 20 世紀(jì) 60 年代，該工藝逐步應(yīng)用于機(jī)械零件的強 化處理上。 20世紀(jì) 70 年代以來，該工藝已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)， 并獲 得了較大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，如機(jī)車用變速器齒輪、發(fā)動機(jī)及其他齒輪 均采

4、用了噴丸強化工藝，大幅度提高了抗疲勞強度。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后，噴丸處理技術(shù)在大多數(shù)工業(yè)部門，如飛機(jī)制 造、鐵道機(jī)車車輛、化工、石油開發(fā)及塑料模具、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)部 門等推廣應(yīng)用，到了 20 世紀(jì) 90 年代其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，如電鍍 前進(jìn)行噴丸處理可防止鍍層裂紋的發(fā)生 2。最近幾年，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛開展和需求，人們對這一操作簡單， 效果顯著的外表處理技術(shù)給予了極大的關(guān)注，開發(fā)了多種新工藝，下 面將介紹包括機(jī)械噴丸在內(nèi)的多種新噴丸工藝的原理和特點逐一介紹。2.1.2 噴丸強化工藝的工作原理 噴丸處理是一種嚴(yán)格控制的冷加工外表強化處理工藝， 其工作原理是： 利用球形彈丸高速撞擊金屬

5、工件外表，使之產(chǎn)生屈服，形成剩余壓縮應(yīng)力層。形成壓縮應(yīng)力層的目的是預(yù)防工件疲勞破壞，把易產(chǎn)生疲勞 破壞裂紋部位的抗應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，從而有效地控制裂紋擴(kuò)展。 機(jī)械噴丸大量彈丸在壓縮空氣的推動下，形成高速運動的彈丸流不斷地向零件 外表噴射，使金屬晶體發(fā)生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度錯位，足夠 長的時間后，以冷加工的形式使工件外表金屬材料發(fā)生塑性流動，造 成重疊凹坑的塑性變形，在生成凹坑的過程中引起壓應(yīng)力并拉伸外表 結(jié)構(gòu)，這一變化過程被工件內(nèi)部未受錘擊的局部所阻擋，因此在工件 外表和近外表形成剩余的壓應(yīng)力，從而顯著地提高了材料的物理和化 學(xué)性能。傳統(tǒng)的噴丸強化因其具有提高金屬零構(gòu)件抗疲勞斷裂能力而得到

6、廣泛 應(yīng)用，但也存在不少問題而影響其開展廣度和深度： 1受零構(gòu)件的 凹槽部位和丸粒不能有效撞擊難以到達(dá)部位的限制，產(chǎn)生噴丸死角， 造成噴丸強度缺乏； 2受噴丸強化外表粗糙度的限制； 3受環(huán)境 污染的限制。因此，為滿足更高的要求，人們有提出了各種不同的新 工藝以滿足要求。激光噴丸激光噴丸強化是一項新技術(shù)。 20世紀(jì) 70年代初，美國貝爾實驗室就開 始研究高密度激光束誘導(dǎo)的沖擊波來改善材料的疲勞強度。激光噴丸的機(jī)理是：短脈沖的強激光透過透明的約束層水簾作用 于覆蓋在金屬板材外表的吸收層上，汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量 并形成等離子體而爆炸產(chǎn)生沖擊波，由它引起在金屬零件內(nèi)部傳播的 應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波峰

7、值超過零件動態(tài)屈服強度極限時，板料外表發(fā)生 了塑性變形，同時由于外表的塑性變形使表層下發(fā)生的彈性變形難以 恢復(fù)，因此在表層產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力。與傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸強化相比，激光噴丸強化具有以下鮮明的特點和優(yōu) 勢：1光斑大小可調(diào)，可以對狹小的空間進(jìn)行噴丸，而傳統(tǒng)機(jī)械噴 丸受到彈丸直徑等因素的限制那么無法進(jìn)行； 2激光脈沖參數(shù)和作用 區(qū)域可以精確控制，參數(shù)具有可重復(fù)性，可在同一地方通過累計的形 式屢次噴丸，因而剩余壓應(yīng)力的大小和壓應(yīng)力層的深度精確可控； 3 激光噴丸形成的剩余應(yīng)力比機(jī)械噴丸的剩余應(yīng)力大，其深度比機(jī)械噴 丸形成的要深； 4激光噴丸使得零件外表塑性變形形成的沖擊坑深度 僅為幾個；5適用范圍廣、

8、對炭鋼、合金鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、 球墨鑄鐵、鋁合金及鎳基高溫合金等材料均適用3 。2.1.2.3 高壓水射流噴丸強化工藝高壓水射流噴丸強化工藝是近 30 年來迅猛開展起來的一項新技術(shù)， 在20世紀(jì)80年代末，Zafred首先提出了利用高壓水射流進(jìn)行金屬外表噴 丸強化的思想。高壓水射流噴丸強化機(jī)理：就是將攜帶巨大能量的高壓水射流以某種 特定的方式高速噴射到金屬零構(gòu)件外表上，使零構(gòu)件表層材料在再結(jié) 晶溫度下產(chǎn)生塑性形變冷作硬化層 ，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)組織強化和剩余應(yīng)力分布應(yīng)力強化 ，從而到達(dá)提高零構(gòu)件周期疲勞強度 的目的。與傳統(tǒng)噴丸強化工藝相比， 高壓水射流噴丸強化技術(shù)具有以下特點： 1 容易對

9、存在狹窄部位、深凹槽部位的零件外表及微小零件外表等進(jìn)行 強化；2受噴外表粗糙度值增加很小，減少了應(yīng)力集中，提高了強 化效果；3無固體彈丸廢棄物，符合綠色材料選擇原那么，不因彈丸 破損而降低外表可靠性； 4低噪聲、無塵、無毒、無味、平安、衛(wèi) 生有利于環(huán)境保護(hù)和操作者的健康。高壓水射流噴丸強化技術(shù)先進(jìn)、 優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景 4。2.1.2.4 微粒沖擊 最近日本研究者提出了一種微粒沖擊技術(shù)，這種方法可大大簡化因為 想同時提高金屬零部件外表硬度、耐疲勞強度、耐磨性能并且降低表 面粗糙度，而先后進(jìn)行噴丸強化、外表研磨和拋光處理的做法。 與傳統(tǒng)噴丸強化相比， 微粒沖擊方法采用的彈丸直徑小， 沖

10、擊速度快， 硬度提高，處理后工件外表硬度增加的幅度大，外表的粗糙度小，而 且通過剩余應(yīng)力分析， 微粒沖擊樣品的最大剩余應(yīng)力那么在外表以下 100 處，其存在深度大于微粒沖擊，因此與噴丸相比，微粒沖擊工件的表 層硬度與普通噴丸處理的工件外表硬度相當(dāng)，但微粒沖擊明顯降低了 工件外表粗糙度，可使得耐磨特性得到了顯著的提高，因此可延長被 加工工件的使用壽命。超聲/高能噴丸中國科學(xué)院沈陽金屬研究所對傳統(tǒng)噴丸技術(shù)進(jìn)行了改經(jīng)，開發(fā)了噴丸 高頻和高能噴丸低頻技術(shù)，實現(xiàn)了多種金屬材料的外表納米 化，依對 304 不銹鋼的研究說明，隨著高能噴丸處理時間的增加，金 屬中馬氏體的含量增加，到一定時間后到達(dá)飽和，金屬材

11、料外表納米 化可顯著提高材料的外表硬度，還可以明顯降低氮化溫度、縮短氮化 時間 5。2.1.3 噴丸強化開展趨勢 伴隨這現(xiàn)代工業(yè)的快速開展 ,對機(jī)械產(chǎn)品零件外表的性能要求越來越高 改善材料外表性能 ,延長零件使用壽命 ,節(jié)約資源 ,提高生產(chǎn)力 ,減少環(huán)境 污染已成為外表工程技術(shù)新的挑戰(zhàn)。作為外表工程技術(shù)分支的外表噴 丸強化技術(shù)面對這些機(jī)遇和挑戰(zhàn) ,將在加強理論研究的根底上開展新技 術(shù)、新方法、新工藝、新設(shè)備和設(shè)備控制技術(shù)。其主要研究方向 6是:理論研究 ,也就是研究各種單一噴丸和復(fù)合噴丸 的強化機(jī)理、噴丸提高零構(gòu)件疲勞和接觸疲勞強度的機(jī)制、噴丸過程 力的作用形式及對外表變形層厚度、粗糙度等的影響、噴丸參數(shù) 彈丸材質(zhì)、硬度、直徑等對噴丸強度的影響、噴丸使剩余奧氏體 轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后材料的穩(wěn)定性及耐磨性等；研究噴丸工藝和其他強化 工藝方法的有機(jī)結(jié)合 ;加大開發(fā)新型、高效、低耗的噴丸設(shè)備和彈丸屬 性對噴丸強化效果的影響；著力解決傳統(tǒng)噴丸強化工藝由于噴外表粗 糙度、綠色噴丸等方面存在的問題。 2.2 滾壓強化工藝 滾壓強化工藝是一種無切削加工工藝，外表