喷丸强化技术概论

材料表面喷丸强化技术概论一、概述二、喷丸强化原理三、喷丸强化工艺参数四、喷丸工艺使用方法五、喷丸强化设备六、喷丸强化质量评价七、结语一、概述喷丸强化是高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程。工件弹丸工件弹丸喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料表面附近造成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为0.1～0.8mm强化层合理利用引入表面塑性变形层的1、残余压应力场(应力强化)2、变形显微组织(组织强化)3、残余奥氏体向马氏体转变(相变强化)可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力需要说明，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，还可以有效消除这些加工刀痕。精加工表面喷丸表面历史上讲，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业中的各种弹簧，以提高其疲劳寿命。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。早在1948年美国宇航材料规范中制定了喷丸强化工艺规范(AMS-2430)。1959年美国军用标准(MIL-C-26074A)中，规定军用产品电镀前零件构必须进行喷丸处理。1967年，美国工程师学会汇编并出版了《喷丸手册》。另外，美国空军颁布的规范(MIL-STD-1587)中规定，凡强度超过400MPa钢锻件，都必需进行喷丸强化。与其它表面强化工艺相比，喷丸强化工艺不仅具有操作简便、成本低廉、适应性广和强化效果显著等一系列优点。上世纪八十年代以来，国际上一度兴起了喷丸热，各种机械零件采用喷丸强化工艺的数量与日俱增。1981年9月在法国巴黎召开了第一届国际喷丸强化会议，以后每三年即召开一次。我国的喷丸强化工艺，首先是在航空制造工业中得到应用。目前国内喷丸技术十分落后，许多单位是利用喷砂来代替喷丸，强化效果较差。在今后的若干年内，喷丸强化技术在我国将有很大的发展空间。凡具备下述特征的零构件，应优先考虑采用表面喷丸强化处理。A)承受交变载荷易产生疲劳失效的承力件B)易产生应力腐蚀(或氢脆)失效的承力件B)带有应力集中部位的各种零构件C)焊缝及其热影响区D)各类螺旋压缩弹簧E)需要电镀Cr、Ni、Ni+Cd、Cd+Ti等钢件F)需要阳极化处理的铝合金零构件强化层二、喷丸强化原理在弹丸冲击下，材料表层产生循环塑性应变，材料表层发生三种变化：A)表面粗糙度发生变化B)表层引入残余压应力场C)表层形成塑性形变细化组织D)表层残余奥氏向马氏体转变应力强化、组织强化和相变强化，可使材料疲劳性能及抗应力腐蚀性能获得明显改善。但喷丸后引起的表面粗糙度增加，有时对其疲劳性能不利。生产中，可以通过控制喷丸工艺参数，避免零件表面粗糙度的增加。也可通过二次喷丸或喷丸后表面精加工，来削弱粗糙度的不利影响。1、应力强化喷丸引人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δc随着材料强度和喷丸工艺参数而变化。δc+σr-σrδc距表面深度δ残余应力当喷丸强度恒定时，材料强度越高则δc值越小当材料强度不变时，喷丸强度越高则δc越大通常情况下，δc在0.1～0.8mm的范围内下图是300M高强钢(σb=1900MPa)喷丸残余应力分布曲线，可见喷丸强度由0.13Amm增高至0.75Amm，导致δc由0.15mm增至0.55mm，但表面残余应力和最大残余应力变化不明显。喷丸强度恒定0.39Amm条件下，40CrNiMoA和30CrMnSiNi2A钢的表面残余压应力σr随材料屈服强度或拉伸强度的变化如下图，即表面残余应力随其σs或σb增高而增大。图为光滑表面或表面浅裂纹试样的喷丸残余应力σr、外加循环拉应力σap及二者之和沿表层的分布曲线。可见，由于残余压应力存在，材料表层实际承受的拉应力水平降低。当零构件承受恒定拉伸载荷时，引入的残余应力场基本上不发生松驰，但是当零构件承受交变载荷时，则可能发生松驰。交变外载压应力会使残余压应力发生明显的松驰，某些材料即使交变压应力水平较低，也会导致喷丸残余压应力的明显松弛。然而，交变外载拉应力对残余压应力的影响相对不明显。喷丸残余应力的松弛按其性质可分为静载松弛和动载松弛。发生在1至5周应力循环的松弛，称做静载松弛。而在随后的多次循环中的继续松弛则称做动载松弛。外加交变应力越大，则喷丸残余应力的静载松弛比例越大。为了避免由于残余应力松弛而给表层材料带来的一定损伤，必须恰当控制喷丸引入的残余压应力场。在一般情况下，应根据零件服役中所承受的交变应力水平、受力状态以及材料表层的屈服强度来选择喷丸引入的优化残余应力场。疲劳裂纹通常起源于零件的表层区域。对优化残余应力场，外载应力与残余应力抵销差低于表面疲劳极限，可避免表面萌生疲劳裂纹。表层一定深度的外载应力与残余应力抵销差低于材料内部疲劳极限，则不会在该处萌生疲劳源。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。事实上，通过优化喷丸工艺，不但不会造成零件表面粗糙度的增大，反而有可能使零件的表面粗糙度的降低。例如据国外报道，某钢材零件经喷丸后，硬化层达0.7mm，表面粗糙度由Ra5~2.5μm减小到Ra0.63~0.32μm，可提高几十倍的使用寿命。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下具有一定的喷丸强化效果。通常要求控制和检验的喷丸工艺参数，主要是弹丸尺寸和形状、弹丸流量、喷丸强度及表面覆盖率，而其中最要的是喷丸强度。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。弹丸的质量均应符合各项技术要求。对于大多时的钢材机械零构件，喷丸处理中最常用的弹丸是钢丝切丸。这类弹丸尺寸通常选择0.5-0.8mm，硬度HRC55-58(2)弧高度试片及弧高度值用65Mn(或70号)冷轧弹簧钢带制成的用于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，表面层发生塑性流变，由此导致试片向喷射面呈球面状弯曲。基准面至球面最高点的距离称为弧高度。基准面共三种类型试片，即N试片、A试片及C试片，它们的材质、硬度以及几何尺寸等均应符合相关的技术要求。0.791.292.39N试片适用于低喷丸强度情况，A试片适用于中喷丸强度，C试片适用于高喷丸强度。具体来讲，N试片用于A试片弧高0.15mm情况，C试片用于A试片弧高0.6mm情况。(3)弧高度测具测量标准试片弧高度值的标准测量工具，应符合相关的技术要求。基准面(4)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。(5)表面覆盖率在被喷丸零件表面的规定部位上，弹痕占据的面积与要求喷丸强化的面积之间的比值，称为表面覆盖率。当喷丸覆盖率低于100%时，可直接中工具显微镜直接测量。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%2、喷丸强化工艺参数的选择原则根据零构件的材质、尺寸、工作环境、加载方式及载荷水平等，来确定喷丸工艺参数。一般地讲，材料疲劳强度与喷丸强度之间并不存在单调变化关系。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(PIop)，此时可获得最佳的强化效果。有两种确定材料最佳喷丸强度的方法，即S-N曲线法和移植法。(1)S-N曲线法该方法需要通过大量疲劳性能(FP)试验，根据喷丸强度对材料FP的影响程度确定最佳喷丸强度，步骤如下A)根据零件承载方式，选择疲劳试验方法(弯曲疲劳、拉～拉脉动疲劳、扭转疲劳等)B)参考零件的薄弱环节的尺寸和形状，确定疲劳试样的尺寸和形状C)将试样分成若干组(a，b，c，……组)每组采用不同的喷丸强度(如a组的喷丸强度为PIa，b组为PIb，……等)进行喷丸处理D)将未喷丸试样与喷丸试样做疲劳试验，试验结果一并列入图中取各组试样疲劳强度极限，可获得图中σe-PI曲线，由此确定材料的最佳喷丸强度Plop图中S-N曲线表明，喷丸强度为PIc一组试样具有最高疲劳强度，即PIc为最佳喷丸强度。该方法需要多条S-N曲线，才能获得材料的最佳喷丸强度PIop由于需要大量时间和费用，故此方法适用于研究单位的系统试验研究，广泛积累试验数据。对于工厂设计师，往往不宜采用此方法来确定具体零件的喷丸强度。(2)移植法所谓移植法就是把材质和尺寸相当的同类型零构件的喷丸强度，直接引用并作为新零件的喷丸强度。对于重要的承力件，这种喷丸强度的移植往往需做些变动，并通过零构件的对比疲劳试验结果最后确定所应选择的喷丸强度。确定所应选择的喷丸强度，其步骤如下A)根据零件承载方式，确定疲劳试验方法B)参考同类零件的喷丸强度，选择一种至几种喷丸强度，对零构件进行喷丸强化C)在同一种交变应力(σa)下进行疲劳寿命对比试验，选择为未喷丸情况5×105周断裂寿命的交变应力为宜D)根据疲劳寿命对比试验结果，确定被移植零构件的喷丸强度，图中喷丸强度PIc即零件适宜的喷丸强度。3、特殊喷丸工艺A)二次喷丸采用二次或多次喷丸工艺，每次的喷丸工艺参数各不相同，目的是改变零件表层残余应力场以及表面粗糙度等。B)热喷丸材料在加热状态下进行喷丸，由于此时材料塑性好，可以产生更深的残余压应力层。C)预备应力喷丸对零件表面施加一定的预拉伸残余应力，然后对其进行喷丸处理，可以产生更高的表面残余压应力，和更深的残余压应力层。D)复合喷丸强化首先对零件进行诸如表面感应淬火、表面激光淬火或表面渗氮等后，再实施喷丸处理，可达到更为良好的表面强化效果。渗氮与喷丸复合强化后的残余压应力剖面示例0-1200-800-600-4000.10.20.30.4rMPaZmm+200-200-1000-1400自由渗渗+喷残余应力深度mm四、喷丸工艺使用方法1、推荐采用喷丸处理的零构件具备下述制造条件和服役条件的零构件，均应优先考虑采用表面喷丸强化处理。A)承受交变载荷并且容易产生疲劳失效的重要承力件B)在恒定载荷和腐蚀环境共同作用的易产生应力腐蚀(或氢脆)失效的重要承力件C)拉伸强度超过1400MPa的各种钢锻件D)需要进行电镀Cr、Ni、Ni+Cd、Cd+Ti等的钢零构件E)需要阳极化处理的高强铝合金零构件F)带有应力集中部位(如内外圆角、键槽、焊缝、工具标记、压印标记以及结构上的突变区域等)的各种零构件G)焊缝左右约30mm的区域H)各类螺旋压缩弹簧2、采用喷丸强化处理应注意的事项(1)喷丸后续工序的影响经过喷丸强化处理的零件，有时还要求进行某种机械加工或热加工。某些零构件要求表面镀铬，其表面粗糙度要求很低(光度很高)，对这类表面粗糙度有严格要求，喷丸处理后需要进行表面磨加工。另一些零件喷丸后还要求进行热处理，电镀之后需要加热除氢等。A)表面机械加工一般情况下，喷丸处理会引起表面粗糙度的增加。其中，在低喷丸强度范围内，经过适当控制可以不改变其粗糙度。对于表面粗糙度有一定要求的零构件，喷丸处理后只允许进行表面磨加工(或表面电抛光加工)。磨加工的去层深度取决于喷丸引入表层