对于表面形变强化技术的现状分析(一)

1、对于外表形变强化技术的现状分析 一摘要：外表强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金 属外表形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果 显著，本钱低廉。笔者主要概括了外表强化技术的分类、 目的和作用， 分析了形变强化方法的特点以及目前外表强化主要研究方法的现状和 开展趋势。关键词：外表形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸引言 材料外表处理技术简称材料外表技术，是材料科学的一个重要分支， 是在不改变基体材料的成分和性能或虽有改变而不影响其使用的 条件下，通过某些物理手段包括机械手段或化学手段来赋予材料 外表特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料外表 技术在工业中

2、的应用， 大幅度提高了产品 尤其是金属零件 的性能、 质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界 的重视。 1 外表形变强化原理 通过机械手段滚压、内挤压和喷丸等在金属外表产生压缩变形，使外表形成形变硬化层此形变硬化层的深度可达0.51.5mm,从而使外表层硬度、强度提高。 2 外表形变强化工艺分类 外表形变强化主要有喷抛丸、滚压和孔挤压等三种工艺。 2.1 喷丸 强化工艺 喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的外表强化方法，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、耐蚀点孔蚀能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广 等优点，是金属材料外表改

3、性的有效方法。喷丸强化的开展状况1908 年 ,美国制造出激冷钢丸 ,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅 速开展 ,而且导致了金属外表喷丸强化技术的产生。 1929 年,在美国由 Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的外表强化 ,取得了良好 的效果 1。20世纪 40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料外表 上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区 扩展的作用。到了 20 世纪 60 年代，该工艺逐步应用于机械零件的强 化处理上。 20世纪 70 年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业， 并获 得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮 均采

4、用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。进入 20 世纪 80 年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制 造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部 门等推广应用，到了 20 世纪 90 年代其应用范围进一步扩大，如电镀 前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生 2。最近几年，随着工业技术的迅猛开展和需求，人们对这一操作简单， 效果显著的外表处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下 面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。2.1.2 喷丸强化工艺的工作原理 喷丸处理是一种严格控制的冷加工外表强化处理工艺， 其工作原理是： 利用球形弹丸高速撞击金属

5、工件外表，使之产生屈服，形成剩余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳 破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。 机械喷丸大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件 外表喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够 长的时间后，以冷加工的形式使工件外表金属材料发生塑性流动，造 成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸外表 结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的局部所阻挡，因此在工件 外表和近外表形成剩余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化 学性能。传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到

6、广泛 应用，但也存在不少问题而影响其开展广度和深度： 1受零构件的 凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以到达部位的限制，产生喷丸死角， 造成喷丸强度缺乏； 2受喷丸强化外表粗糙度的限制； 3受环境 污染的限制。因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新 工艺以满足要求。激光喷丸激光喷丸强化是一项新技术。 20世纪 70年代初，美国贝尔实验室就开 始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层水帘作用 于覆盖在金属板材外表的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量 并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的 应力波，当应力波峰

7、值超过零件动态屈服强度极限时，板料外表发生 了塑性变形，同时由于外表的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以 恢复，因此在表层产生剩余压应力。与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优 势：1光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷 丸受到弹丸直径等因素的限制那么无法进行； 2激光脉冲参数和作用 区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形 式屡次喷丸，因而剩余压应力的大小和压应力层的深度精确可控； 3 激光喷丸形成的剩余应力比机械喷丸的剩余应力大，其深度比机械喷 丸形成的要深； 4激光喷丸使得零件外表塑性变形形成的冲击坑深度 仅为几个；5适用范围广、

8、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、 球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用3 。2.1.2.3 高压水射流喷丸强化工艺高压水射流喷丸强化工艺是近 30 年来迅猛开展起来的一项新技术， 在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属外表喷 丸强化的思想。高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种 特定的方式高速喷射到金属零构件外表上，使零构件表层材料在再结 晶温度下产生塑性形变冷作硬化层 ，呈现理想的组织结构组织强化和剩余应力分布应力强化 ，从而到达提高零构件周期疲劳强度 的目的。与传统喷丸强化工艺相比， 高压水射流喷丸强化技术具有以下特点： 1 容易对

9、存在狭窄部位、深凹槽部位的零件外表及微小零件外表等进行 强化；2受喷外表粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强 化效果；3无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原那么，不因弹丸 破损而降低外表可靠性； 4低噪声、无尘、无毒、无味、平安、卫 生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、 优势明显，具有广阔的应用前景 4。2.1.2.4 微粒冲击 最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为 想同时提高金属零部件外表硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表 面粗糙度，而先后进行喷丸强化、外表研磨和抛光处理的做法。 与传统喷丸强化相比， 微粒冲击方法采用的弹丸直径小， 冲

10、击速度快， 硬度提高，处理后工件外表硬度增加的幅度大，外表的粗糙度小，而 且通过剩余应力分析， 微粒冲击样品的最大剩余应力那么在外表以下 100 处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表 层硬度与普通喷丸处理的工件外表硬度相当，但微粒冲击明显降低了 工件外表粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被 加工工件的使用寿命。超声/高能喷丸中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸 高频和高能喷丸低频技术，实现了多种金属材料的外表纳米 化，依对 304 不锈钢的研究说明，随着高能喷丸处理时间的增加，金 属中马氏体的含量增加，到一定时间后到达饱和，金属材

11、料外表纳米 化可显著提高材料的外表硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化 时间 5。2.1.3 喷丸强化开展趋势 伴随这现代工业的快速开展 ,对机械产品零件外表的性能要求越来越高 改善材料外表性能 ,延长零件使用寿命 ,节约资源 ,提高生产力 ,减少环境 污染已成为外表工程技术新的挑战。作为外表工程技术分支的外表喷 丸强化技术面对这些机遇和挑战 ,将在加强理论研究的根底上开展新技 术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。其主要研究方向 6是:理论研究 ,也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸 的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程 力的作用形式及对外表变形层厚度、粗糙度等的影响、喷丸参数 弹丸材质、硬度、直径等对喷丸强度的影响、喷丸使剩余奥氏体 转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化 工艺方法的有机结合 ;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属 性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于喷外表粗 糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。 2.2 滚压强化工艺 滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，外表