对于表面形变强化技术的现状分析.docx

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对于表面形变强化技术的现状分析

摘要：

表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。

常用的金属表面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，成本低廉。

笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。

关键词：

表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸

引言

材料表面处理技术简称材料表面技术，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表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。

材料表面技术在工业中的应用，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表面形变强化原理

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0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。

2表面形变强化工艺分类

表面形变强化主要有喷（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表面强化方法，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，是金属材料表面改性的有效方法。

2.1.1喷丸强化的发展状况

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发展，而且导致了金属表面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表面强化，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表面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发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面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表面强化处理工艺，其工作原理是：

利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。

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。

2.1.2.1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表面喷射，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表面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表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，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广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：

（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；

（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；

（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。

2.1.2.2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表面的吸收层上，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，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

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则无法进行；

（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多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；

（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；（4）激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；

（5）适用范围广、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年来迅猛发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表面喷丸强化的思想。

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表面上，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）和残余应力分布（应力强化），从而达到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）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；

（2）受喷表面粗糙度值增加很小，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则，不因弹丸破损而降低表面可靠性；

（4）低噪声、无尘、无毒、无味、安全、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表面硬度、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、表面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，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下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表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，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。

2.1.2.5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表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5]。

2.1.3喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展，对机械产品零件表面的性能要求越来越高，改善材料表面性能，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表面工程技术新的挑战。

作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战，将在加强理论研究的基础上发展新技术、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表面（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、喷丸使残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表面粗糙度、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，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。

2.2.1滚压强化原理

利用特制的滚压工具，对零件表面施加一定压力，使零件表面层的金属发生塑性变形，从而提高表面粗糙度和硬度，这种方法叫做滚压，又称无屑加工。

表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。

滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。

滚压用的滚轮数目有

1、

2、3。

单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件；若刚度工件较小，则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图（a）、（b）所示[7]。

2.2.2滚压强化的发展趋势

定量定性。

为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

形式的多样性。

目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。

大塑性变形。

一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力，达3000N甚至更高，也未能消除车削留下的刀痕。

高强度。

目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30％～50％，当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺[11]。

2.2.3滚压强化的发展状况

滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。

1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中[8]。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度2～4级，耐磨性比磨削后提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果，很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表明，与未滚压曲轴相比教，经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3％，安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套，由原来的直槽改制成为沉割槽，其破断力在原来基础上提高了35%以上，技术指标显著增加，获得明显效果，如表1[9]所示。

表1气缸套滚压前后主要技术指标对比表

气缸套规格前后对比平均破断力气缸套规格前后对比平均破断力

6105QB直槽131.18

6105QC直槽176.14

滚压槽176滚压槽243.39

提高（%）35.69提高（%）28.18

通过大量试验研究和工厂实践表明，影响到滚压质量的因素主要有以下几种：

工件材料的性质：

硬度、塑性、金相组织，硬度越低，塑性越高，则滚压效果越好；预加工的表面状况：

表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构：

特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量：

滚压深度、进给量、滚压速度、滚压次数[10]。

2.3内挤压强化工艺

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

2.3.1内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。

塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。

2.3.2内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。

主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔。

目前主要应用于以下几种类型[12]：

挤压棒挤压强化。

孔壁上涂干膜润滑剂，施加力的方式阿为拉挤或推挤，适用于大型零部件装配和维修；

衬套挤压强化。

孔内装有衬套，挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔，适用于各类零部件的装配和修理；

压印模挤压强化。

在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽。

适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；

旋转挤压强化。

使用有一定过盈量，经向镶有圆柱体的挤压头，旋转通过被挤压的孔，适用于起落架大直径管件和孔。

由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺，使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用，并也取得了良好的效果，一下是几种常见材料挤压的强化效果见表二[13]，可知孔挤压后可大幅度提高疲劳极限。

表二各种材料孔挤压强化效果

材料孔直径/mm应力循环次数/次疲劳极限/MPa

未挤压挤压

300M钢301×106280320

AF410钢201×106430610

30CrMnSiNiZA钢61×106523680

40CrNiMoA钢61×106320470

30CrNiMoV钢61×106260300

Ti6A14V钛合金201×106157206

LC9铝合金61×10760110

LC4铝合金61×10775121

也由于内挤压的特殊工艺性，这就要求挤压时一定要均匀、缓慢、连续的挤压孔，不允许有冲击和暂停现象。

3结论

表面形变强化效果显著，成本低廉，是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，也是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。

参考文献

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