第六章 表面改性技术
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
零件在服役过程中往往由于表面强度不足， 或者耐腐蚀性能差，而疲劳破损失效。因此，改 善和提高材料的表面性能，就成为提高疲劳强度、 延长使用寿命的重要工艺措施。表面形变强化就 是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，金属 表面喷丸强化工程就是其代表性技术。
图为不同弹丸速度和喷丸时间的弧高度值曲 线。当喷丸时间延长时， 弧高度先增大，之后逐渐平 稳，呈饱和趋势。弹丸速度提高(喷丸机叶轮 转速提 高)，则弧高度全面增大。生产实际中以弧高度的饱和 值作为喷丸 强度。
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2）所谓覆盖率是指强化后表面弹坑占据的面积与总强化表面的比值。 喷丸覆盖率的影响因素：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、 喷丸时间等。
喷丸强化用的弹丸，常用的有三种：
1) 铸铁弹丸 碳质量分数物为2.75-3.60％，硬度约为 HRC58-65,退火后硬度为HRC30-57 。铸铁弹丸的价格低廉。
2) 钢弹丸 当前使用的钢弹丸一般是将含碳量为0.7％的 弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆加工制成，直径 为0.4-1.2mm。硬度HRC45-50为最适宜。钢弹丸的组织最 好为回火马氏体或贝氏体。
表面强化层的组织：
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强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表 面层由于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲 线上有“抬头”现象。
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疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加
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3）表面粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射 角度及速度、零件的原始表面粗糙度。
在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑 性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；
3) 玻璃弹丸 其应用是在近十几年发展起来的，已在国防 工业中获得应用。玻璃弹丸的直径为0.05—0.40 mm范围,硬 度HRC46-50。
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喷丸强化
强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须 是因球形，切忌有棱角，以免损伤零件表面。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化 方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产 生形变硬化层并引进残余压应力。已广泛用于弹簧、 齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著 提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、 抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
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喷丸强化设备主要有两类：
（2）气动式喷丸机适用于要求喷丸强度较低、 品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。
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（2）气动式喷丸机 压缩空气式
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重力式喷丸机结构 比吸入式复杂，适合 使用比重、直径较大 的金属弹丸。
弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强 度就越大。
喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压 应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。
喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达 到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。
在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。
喷丸强化原理：
1）形成形变硬化层，在 此层内产生两种变化：
一是亚晶粒极大的细化， 位错密度增高，晶格畸变增 大；
二是形成了高的宏观残余 压应力。
2）表面粗糙度略有增大， 但却使切削加工的尖锐刀痕 圆滑。
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表面强化层的组织 变化：
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一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。 有色金属和不锈钢制件则需采用不锈钢丸或玻璃丸。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 喷丸强化设备主要有两类： （1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、 品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。
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直接加压式喷丸 机
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表示喷丸强化质量的三个参数：喷丸强度、覆盖率、 表面粗糙度。
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1）影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、 喷丸时间等。
在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时， 覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。
在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、 弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。
喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸 强度和覆盖率同时达到要求值。
通常覆盖率要求在100% - 200%，有些零件，如曲轴应用可能要求覆 盖率高于200%。
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金属表面形变强化方法及其应用
常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷丸、滚压和内孔
挤压等强化工艺。
表面滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过该方法获
得表层形变强化，并引进残余压应力。
内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果显
著。
表面滚压
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第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化 阿尔门试验
弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称 Almen试片。试片 分N、A、C三种 ，其材料和硬度都有规定，长度和宽度也固定，只是厚 度不同。其中应用较多的为A试片(厚1．27mm)，适用于中等喷丸强度。
试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件下进行的喷 射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度的量度。弧高度单位用 mm表示。例如，30A表示 A试片弧高度为0．3mm。