表面形變強(qiáng)化技術(shù)現(xiàn)狀分析的論文

1、文檔編碼 : CV8P8P8Z5X3 HL10D2A1C4N10 ZL10A10R6R9F9表面形變強(qiáng)化技術(shù)現(xiàn)狀分析的論文表面形變強(qiáng)化技術(shù)現(xiàn)狀分析的論文摘要：表面強(qiáng)化是近年來國內(nèi)外廣泛爭論應(yīng)用的工藝之一；常 用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝,其 強(qiáng)化成效顯著,成本低廉；筆者主要概括了表面強(qiáng)化技術(shù)的分類、目的和作用,分析了形變強(qiáng)化方法的特點以及目前表面強(qiáng)化主要研 究方法的現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢；關(guān)鍵詞：表面形變；強(qiáng)化技術(shù)；滾壓；內(nèi)擠壓；噴丸引言材料表面處理技術(shù)簡稱材料表面技術(shù),是材料科學(xué)的一個重要分 支,是在不轉(zhuǎn)變基體材料的成分和性能（或雖有轉(zhuǎn)變而不影響其使 用）的條件下,通過某些

2、物理手段（包括機(jī)械手段）或化學(xué)手段來 賜予材料表面特別性能,以中意產(chǎn)品或零件使用需要的技術(shù)和工藝；材料表面技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用,大幅度提高了產(chǎn)品（特別是金屬零 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 表面形變強(qiáng)化原理通過機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變 形,使表面形成形變硬化層（此形變硬化層的深度可達(dá) 0.5 1.5mm）,從而使表面層硬度、強(qiáng)度提高；2 表面形變強(qiáng)化工藝分類表面形變強(qiáng)化主要有噴（拋）丸、滾壓和孔擠壓等三種工藝；2.1 噴丸強(qiáng)化工藝噴丸是國內(nèi)外廣泛使用的一種在再結(jié)晶溫度以下的表面強(qiáng)化方法,可顯著提高抗彎曲疲乏、抗腐

3、蝕疲乏、抗應(yīng)力腐蝕疲乏、抗微動磨 損、耐蝕點（孔蝕）才能,它具有操作簡潔、耗能少、效率高、適 應(yīng)面廣等優(yōu)點,是金屬材料表面改性的有效方法；2.1.1 噴丸強(qiáng)化的進(jìn)展?fàn)顩r1908 年, 美國制造出激冷鋼丸 , 金屬彈丸的顯現(xiàn)不僅使噴砂工藝 獲得快速進(jìn)展 , 而且導(dǎo)致了金屬表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)生；1929 年, 在美國由 Zimmerli 等人第一將噴丸強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于彈簧的表面強(qiáng)化 , 取得了良好的成效 1 ；20 世紀(jì) 40 歲月,人們就發(fā)覺了噴丸處理可 在金屬材料表面上產(chǎn)生一種壓縮應(yīng)力層,可以起到強(qiáng)化金屬材料、阻擋裂紋在受壓區(qū)擴(kuò)展的作用；到了20 世紀(jì) 60 歲月,該工藝逐步應(yīng)用于機(jī)械零件的強(qiáng)

4、化處理上；20 世紀(jì) 70 歲月以來,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)及其他齒輪均接受了噴丸強(qiáng)化工藝,大幅度提高了抗疲乏強(qiáng)度；進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 歲月后,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 歲月其應(yīng)用范疇進(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)的迅猛進(jìn)展和需求,人們對這一操作簡 單,成效顯著的表面處理技術(shù)賜予了極大的關(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

5、紹；2.1.2 噴丸強(qiáng)化工藝的工作原理噴丸處理是一種嚴(yán)格把握的冷加工表面強(qiáng)化處理工藝,其工作原 理是：利用球形彈丸高速撞擊金屬工件表面,使之產(chǎn)生屈服,形成 殘余壓縮應(yīng)力層；形成壓縮應(yīng)力層的目的是預(yù)防工件疲乏破壞,把 易產(chǎn)生疲乏破壞裂紋部位的抗應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力,從而有效地把握裂 紋擴(kuò)展；2.1.2.1 機(jī)械噴丸大量彈丸在壓縮空氣的推動下,形成高速運(yùn)動的彈丸流不斷地向 零件表面噴射,使金屬晶體發(fā)生晶粒破裂、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表面金屬材料發(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 拉伸表面結(jié)構(gòu),這一變化過程被工件內(nèi)部未受錘擊的部分所阻

6、擋,因此在工件表面和近表面形成殘余的壓應(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(qiáng)化因其具有提高金屬零構(gòu)件抗疲乏斷裂才能而得到 廣泛應(yīng)用,但也存在不少問題而影響其進(jìn)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達(dá)到部位的限制,產(chǎn)生噴丸死角,造成噴丸強(qiáng)度不足；（2）受噴丸強(qiáng)化表面粗糙度的限制；（3）受環(huán)境污染的限制；因此,為中意更高的要求,人們有提出了 各種不同的新工藝以中意要求；2.1.2.2 激光噴丸激光噴丸強(qiáng)化是一項新技術(shù)；20 世紀(jì) 70 歲月初,美國貝爾試驗室就開頭爭論高密度激光束誘導(dǎo)的沖擊波來改善材料的疲乏強(qiáng)度；激光噴丸的機(jī)理是：短脈沖的強(qiáng)激光透過透亮

7、的約束層（水簾）作用于掩蓋在金屬板材表面的吸取層上,汽化后的蒸氣急劇吸取激 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)力波峰值超過零件動態(tài)屈服強(qiáng)度極限時,板 料表面發(fā)生了塑性變形,同時由于表面的塑性變形使表層下發(fā)生的 彈性變形難以復(fù)原,因此在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；與傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸強(qiáng)化相比,激光噴丸強(qiáng)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就無法進(jìn)行；（2）激光脈沖參 數(shù)和作用區(qū)域可以精確把握,參數(shù)具有可重復(fù)性,可在同一地方通 過累計的形式多次噴丸,因而殘余壓應(yīng)力的大小和壓應(yīng)力層的深

8、度 精確可控；（ 3）激光噴丸形成的殘余應(yīng)力比機(jī)械噴丸的殘余應(yīng)力大,其深度比機(jī)械噴丸形成的要深；形成的沖擊坑深度僅為幾個；（4 激光噴丸使得零件表面塑性變形 5）適用范疇廣、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(qiáng)化工藝高壓水射流噴丸強(qiáng)化工藝是近30 年來迅猛進(jìn)展起來的一項新技術(shù),在 20 世紀(jì) 80 歲月末, Zafred 第一提出了利用高壓水射流進(jìn)行 金屬表面噴丸強(qiáng)化的思想；高壓水射流噴丸強(qiáng)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)件表面上,使零構(gòu)件表層材料 在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性形

9、變（冷作硬化層）,顯現(xiàn)理想的組織結(jié) 構(gòu)（組織強(qiáng)化）和殘余應(yīng)力分布（應(yīng)力強(qiáng)化）,從而達(dá)到提高零構(gòu) 件周期疲乏強(qiáng)度的目的；與傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝相比,高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)具有以下特 點：（ 1）簡潔對存在狹窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件 表面等進(jìn)行強(qiáng)化；（ 2）受噴表面粗糙度值增加很小,削減了應(yīng)力集中,提高了強(qiáng)化成效；（3）無固體彈丸廢棄物,符合綠色材料選擇原就,不因彈丸破舊而降低表面牢靠性；（4）低噪聲、無塵、無毒、無味、安全、衛(wèi)生有利于環(huán)境愛惜和操作者的健康；高壓水射流噴 丸強(qiáng)化技術(shù)先進(jìn)、優(yōu)勢明顯,具有寬敞的應(yīng)用前景 4 ；2.1.2.4 微粒沖擊最近日本爭論者提出了一種微粒沖擊技術(shù),這

10、種方法可大大簡化 由于想同時提高金屬零部件表面硬度、耐疲乏強(qiáng)度、耐磨性能并且 降低表面粗糙度,而先后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化、表面研磨和拋光處理的做 法；與傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化相比,微粒沖擊方法接受的彈丸直徑小,沖擊速 度快,硬度提高,處理后工件表面硬度增加的幅度大,表面的粗糙 度小,而且通過殘余應(yīng)力分析,微粒沖擊樣品的最大殘余應(yīng)力就在 表面以下 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一般噴丸處理的工件表面硬度相當(dāng),但微 粒沖擊明顯降低了工件表面粗糙度,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；2.1.2.5 超聲/ 高能噴丸中國科學(xué)院沈陽金屬爭論所

11、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)了多種金屬材料的表面納米化,依對 304 不銹鋼的爭論說明,隨著高能噴丸處理時間的 增加,金屬中馬氏體的含量增加,到確定時間后達(dá)到飽和,金屬材 料表面納米化可顯著提高材料的表面硬度,仍可以明顯降低氮化溫 度、縮短氮化時間 5 ；2.1.3 噴丸強(qiáng)化進(jìn)展趨勢相伴這現(xiàn)代工業(yè)的快速進(jìn)展, 對機(jī)械產(chǎn)品零件表面的性能要求越來越高 , 改善材料表面性能 , 延長零件使用壽命 , 節(jié)約資源 , 提高生產(chǎn) 力, 削減環(huán)境污染已成為表面工程技術(shù)新的挑戰(zhàn)；作為表面工程技術(shù)分支的表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)面對這些機(jī)遇和挑戰(zhàn), 將在加強(qiáng)理論爭論的基礎(chǔ)上進(jìn)

12、展新技術(shù)、新方法、新工藝、新設(shè)備和設(shè)備把握技術(shù)；其主要爭論方向 6 是: 理論爭論 , 也就是爭論各種單一噴丸和復(fù) 合噴丸的強(qiáng)化機(jī)理、噴丸提高零構(gòu)件疲乏和接觸疲乏強(qiáng)度的機(jī)制、噴丸過程力的作用形式及對表面（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(qiáng)度的影響、噴丸使 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后材料的穩(wěn)固性及耐磨性等；爭論噴丸工藝和其他強(qiáng)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(qiáng)化成效的影響；著力解決傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化 工藝由于噴表面粗糙度、綠色噴丸等方面存在的問題；2.2 滾壓強(qiáng)化工藝滾壓強(qiáng)化工藝是一種無切削加工工藝,表面滾壓可以顯著地提高

13、零件的疲乏強(qiáng)度,并且降低缺口敏捷性；2.2.1 滾壓強(qiáng)化原理利用特制的滾壓工具 , 對零件表面施加確定壓力 , 使零件表面層的金屬發(fā)生塑性變形 , 從而提高表面粗糙度和硬度, 這種方法叫做滾壓 ,又稱無屑加工；表面滾壓特別適用于形狀簡潔的大零件,特別是尺 寸突然變化的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處,如火車軸的軸徑等,表面滾壓處理后,其疲乏壽命都有了顯著提高；滾輪滾壓加工可加工圓柱形或錐 形的外表面和內(nèi)表面曲線旋轉(zhuǎn)體的外表面、平面、端面、凹槽、臺階軸的過渡圓角；滾壓用的滾輪數(shù)目有1、2、3；單一滾輪滾壓只能用于具有足夠的工件；如剛度工件較小,就需用 2 個或者 3 個滾輪在相對的方向上同時進(jìn)行滾壓,以免工件彎曲

14、變形,如圖（a）、（b）所示 7 ；2.2.2 滾壓強(qiáng)化的進(jìn)展趨勢定量定性；為獲得特定的材料表面晶粒度、變形層厚度,應(yīng)接受多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù),目前沒有這方面有指導(dǎo)意義的詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)或公式；形式的多樣性；目前的滾壓技術(shù)一般只適用于回轉(zhuǎn)體類和平面類零件,所以應(yīng)完善滾壓技術(shù)使得能適應(yīng)零件形式的多樣性,提高其使用范疇；大塑性變形；一般傳統(tǒng)的滾壓技術(shù)很難實現(xiàn)大變形,即使施加了比正常情形下高出幾倍的壓力 留下的刀痕；, 達(dá) 3000N甚至更高 , 也未能排除車削高強(qiáng)度；目前國內(nèi)企業(yè)接受曲軸滾壓工藝強(qiáng)化技術(shù)較低,一般只 能提高強(qiáng)度 3050,當(dāng)需要大幅度提高強(qiáng)度時,仍需有更好滾 壓強(qiáng)化工藝

15、 11 ；2.2.3 滾壓強(qiáng)化的進(jìn)展?fàn)顩r滾壓強(qiáng)化技術(shù)是 1929 年由德國人提出的, 1933 年在美國鐵路上 開頭應(yīng)用滾壓方法, 1938 年前蘇聯(lián)應(yīng)用于機(jī)車車軸軸頸；1950 年美 國、前蘇聯(lián)在軍用、民用飛機(jī)上大量應(yīng)用孔擠壓技術(shù),如提高干涉協(xié)作鉚接、干涉協(xié)作螺接；1970 年國內(nèi)航空部門開頭將冷擠壓工藝應(yīng)用到飛機(jī)制造及修理中 8 ；目前主要的滾壓加工工具有硬質(zhì)合金滾輪式滾壓工具、滾柱式滾壓工具、硬質(zhì)合金 YZ型深孔滾壓工具、圓錐滾柱深孔滾壓工具、滾珠式滾壓工具,通過滾壓可以提高表面粗糙度24 級,耐磨性比磨削后提高 1.5 3 倍,可以修正和提高形狀誤差和表面粗糙度,而且滾壓過程操作便利,

16、效率高、凈潔無污染,其具有應(yīng)用范疇寬,滾 壓后的零件使用壽命長等特點,適用于對粗糙度和硬度均有確定要 求的零件表面；這種方法主要應(yīng)用在大型軸類、套筒類零件內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的加 工、滾壓螺釘、螺栓等零件的螺紋以及滾壓小模數(shù)齒輪和滾花等,并取得了顯著成果,很好的提高了經(jīng)濟(jì)效益,如天津高校內(nèi)燃機(jī)研 究所唐琦等人通過對 370Q型汽油機(jī)、 376Q型柴油機(jī)進(jìn)行的曲軸負(fù) 荷分析、強(qiáng)度估算及彎曲疲乏強(qiáng)度試驗說明,與未滾壓曲軸相比教,經(jīng)圓角滾壓的曲軸疲乏強(qiáng)度增加了92.3 ,安全系數(shù)由 1.18 提高到 2.28 并大幅度提高曲軸疲乏強(qiáng)度；仍有如柳州南方汽車缸套廠在 對缸套進(jìn)行滾壓試驗后發(fā)覺同一材料、硬度和壁

17、厚的氣缸套,由原 來的直槽改制成為沉割槽,其破斷力在原先基礎(chǔ)上提高了 35%以上,技術(shù)指標(biāo)顯著增加,獲得明顯成效,如表 19 所示；表 1 氣缸套滾壓前后主要技術(shù)指標(biāo)對比表氣缸套規(guī)格前后對比平均破斷力氣缸套規(guī)格前后對比平均破斷力6105QB直槽 131.186105QC直槽 176.14滾壓槽 176 滾壓槽 243.39提高 %35.69 提高%28.18通過大量試驗爭論和工廠實踐說明,影響到滾壓質(zhì)量的因素主要 有以下幾種：工件材料的性質(zhì)：硬度、塑性、金相組織,硬度越低,塑性越高,就滾壓成效越好；預(yù)加工的表面狀況：表面粗糙度、顯 微組織、幾何形狀精度；滾壓工具的結(jié)構(gòu)：特別的加工類型需要相 應(yīng)

18、的滾壓工具才能更好的保證加工質(zhì)量；滾壓用量：滾壓深度、進(jìn) 給量、滾壓速度、滾壓次數(shù) 10 ；2.3 內(nèi)擠壓強(qiáng)化工藝孔擠壓是一種使孔的內(nèi)表面獲得形變強(qiáng)化的工藝措施,成效明顯；2.3.1 內(nèi)擠壓強(qiáng)化原理孔擠壓是利用棒、襯套、模具等特別的工具,對零件孔或周邊連 續(xù)、緩慢、均勻地擠壓,形成塑性變形成的硬化層；塑性變形層內(nèi) 組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,引起形變強(qiáng)化,并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,降低了孔 壁粗糙度,對提高材料疲乏強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕才能很有效；2.3.2 內(nèi)擠壓強(qiáng)化的進(jìn)展?fàn)顩r由于孔擠壓強(qiáng)化效率高、成效好、方法簡潔,使用于高強(qiáng)度鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等零件；主要被擠壓孔 的形狀是圓孔、橢圓孔、長圓

19、孔、臺階孔埋頭窩孔和開口孔；目前主要應(yīng)用于以下幾種類型 12 ：擠壓棒擠壓強(qiáng)化；孔壁上涂干膜潤滑劑,施加力的方式阿為拉擠 或推擠,適用于大型零部件裝配和修理；襯套擠壓強(qiáng)化；孔內(nèi)裝有襯套,擠壓棒用拉擠或推擠方式通過襯 套孔,適用于各類零部件的裝配和修理；壓印模擠壓強(qiáng)化；在圓孔或長圓孔四周用壓印模擠壓出同心溝槽；適用于大型零部件及蒙皮關(guān)鍵承力部位的孔壓印；旋轉(zhuǎn)擠壓強(qiáng)化；使用有確定過盈量,經(jīng)向鑲有圓柱體的擠壓頭,旋轉(zhuǎn)通過被擠壓的孔,適用于起落架大直徑管件和孔；由于內(nèi)擠壓特別的高效而簡潔的強(qiáng)化工藝,使得內(nèi)擠壓強(qiáng)化工藝 得到了一系列廣泛的應(yīng)用,并也取得了良好的成效,一下是幾種常見材料擠壓的強(qiáng)化成效見表二 勞極限；13 ,可知孔擠壓后可大幅度提高疲表二各種材料孔擠壓強(qiáng)化成效材料孔直徑 /mm應(yīng)力循環(huán)次數(shù) / 次疲乏極限 /MPa 未擠壓擠壓 300M鋼 301 106280320AF410鋼 201 10643061030CrMnSiNiZA鋼 61 106523680 40CrNiMoA鋼 61 106320470 30CrNiMoV鋼 61 106260300Ti6A14V 鈦合金 201 106157206