凯发国际娱乐官网入口 表面形變強化技術的研究現狀

摘要: 表面強化是近年來國內外廣泛研究應用的工藝之一。 常用的金屬表面形變強化方法主要有滾壓、內擠壓和噴丸等工藝, 其強化效果顯著, 成本低廉。 筆者主要概括了表面強化技術的分類、目的和作用, 分析了形變強化方法的特點以及目前表面強化主要研究方法的現狀和發展趨勢。

關鍵詞: 表面形變; 滾壓; 內擠壓;噴丸 材料表面處理技術簡稱材料表面技術, 是材料科學的一個重要分支, 是在不改變基體材料的成分和性能( 或雖有改變而不影響其使用) 的條件下, 通過某些物理手段( 包括機械手段)或化學手段來賦予材料表面特殊性能, 以滿足產品或零件使用需要的技術和工藝。 材料表面技術在工業中的應用, 大幅度提高了產品( 尤其是金屬零件) 的性能、質量和壽命, 并產生了巨大的經濟效益, 因而深受各國政府和科技界的重視。

1 表面形變強化原理

通過機械手段( 滾壓、內擠壓和噴丸等) 在金屬表面產生壓縮變形, 使表面形成形變硬化層 ( 此形變硬化層的深度可達0.5～1.5mm) , 從而使表面層硬度、強度提高。

2 表面形變強化工藝分類

主要有噴( 拋) 丸、滾壓和孔擠壓等三種工藝。

2.1 噴丸強化工藝

噴丸是廣泛使用的一種在再結晶溫度以下的表面強化方法, 可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應力腐蝕疲勞、抗微動磨損、耐蝕點( 孔蝕) 能力, 具有操作簡單、耗能少、效率高、適應面廣等優點, 是金屬材料表面改性的有效方法。

2.1.1 噴丸強化工藝的工作原理

噴丸處理是一種嚴格控制的冷加工表面強化處理工藝, 其工作原理是: 利用球形彈丸高速撞擊金屬工件表面, 使之產生屈服, 形成殘余壓縮應力層。 形成壓縮應力層的目的是預防工件疲勞破壞, 把易產生疲勞破壞裂紋部位的抗應力轉為壓應力, 從而有效地控制裂紋擴展。

2.1.2 噴丸強化的發展狀況

1908 年,美國制造出激冷鋼丸,金屬彈丸的出現不僅使 噴砂工藝獲得迅速發展,而且導致了金屬表面噴丸強化技術的產生。 1929 年,在美國由 immerli 等人首先將噴丸強化技術應用于彈簧的表面強化,取得了良好的效果[1]。 20 世紀 40 年代, 人們就發現了噴丸處理可在金屬材料表面上產生一種壓縮應力層, 可以起到強化金屬材料、阻止裂紋在受壓區擴展的作用。到了 60 年代, 該工藝逐步應用于機械零件的強化處理上。 70 年代以來, 該工藝已廣泛應用于汽車工業, 并獲得了較大的經濟技術效益, 如機車用變速器齒輪、發動機及其他齒輪均采用了噴丸強化工藝, 大幅度提高了抗疲勞強度。
進入 80 年代后, 噴丸處理技術在大多數工業部門, 如飛機制造、鐵道機車車輛、化工、石油開發及塑料模具、工程機械、農業部門等推廣應用, 到了 90 年代其應用范圍進一步擴大, 如電鍍前進行噴丸處理可防止鍍層裂紋的發生[2]。
最近幾年, 隨著工業技術的迅猛發展和需求, 人們對這一操作簡單、效果顯著的表面處理技術給予了極大的關注, 開發了多種新工藝, 下面將包括機械噴丸在內的多種新噴丸工藝原理和特點逐一介紹。

2.1.2.1 機械噴丸

大量彈丸在壓縮空氣的推動下, 形成高速運動的彈丸流不斷地向零件表面噴射, 使金屬晶體發生晶粒破碎、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力并拉伸表面結構, 這一變化過程被工件內部未受錘擊的部分所阻擋, 因此在工件表面和近表面形成殘余的壓應力, 從而顯著地提高了材料的物理和化學性能。
傳統的噴丸強化因其具有提高金屬零構件抗疲勞斷裂能力而得到廣泛應用, 但也存在不少問題而影響其發展廣度和深度:( 1) 受零構件的凹槽部位和丸粒不能有效撞擊難以達到部位的限制, 產生噴丸死角, 造成噴丸強度不足;( 2) 受噴丸強化表面粗糙度的限制;( 3) 受環境污染的限制。 因此, 為滿足更高的要求, 人們有提出了各種不同的新工藝以滿足要求。

2.1.2.2 激光噴丸

激光噴丸強化是一項新技術。 20 世紀 70 年代初, 美國貝爾實驗室就開始研究高密度激光束誘導的沖擊波來改善材料的疲勞強度。

激光噴丸的機理是: 短脈沖的強激光透過透明的約束層( 水簾) 作用于覆蓋在金屬板材表面的吸收層上, 汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量并形成等離子體而爆炸產生沖擊波, 由它引起在金屬零件內部傳播的應力波, 當應力波峰值超過零件動態屈服強度極限時, 板料表面發生了塑性變形, 同時由于表面的塑性變形使表層下發生的彈性變形難以恢復, 因此在表層產生殘余壓應力。

與傳統的機械噴丸強化相比, 激光噴丸強化具有以下鮮明的特點和優勢:( 1) 光斑大小可調, 可以對狹小的空間進行噴丸, 而傳統機械噴丸受到彈丸直徑等因素的限制則無法進行;( 2) 激光脈沖參數和作用區域可以精確控制, 參數具有可重復性, 可在同一地方通過累計的形式多次噴丸, 因而殘余壓應力的大小和壓應力層的深度精確可控;( 3) 激光噴丸形成的殘余應力比機械噴丸的殘余應力大, 其深度比機械噴丸形成的要深; (4)激光噴丸使得零件表面塑性變形形成的沖擊坑深度僅為幾個 μm;( 5) 適用范圍廣、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 高壓水射流噴丸強化工藝

高壓水射流噴丸強化工藝是近三十年來迅猛發展起來的一項新技術, 在 20 世紀 80 年代末, Zafred 首先提出了利用高壓水射流進行金屬表面噴丸強化的思想。

高壓水射流噴丸強化機理: 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件表面上, 使零構件表層材料在再結晶溫度下產生塑性形變( 冷作硬化層) , 呈現理想的組織結構( 組織強化) 和殘余應力分布( 應力強化) , 從而達到提高零構件周期疲勞強度的目的。
與傳統噴丸強化工藝相比, 高壓水射流噴丸強化技術具有以下特點:( 1) 容易對存在狹窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等進行強化;( 2) 受噴表面粗糙度值增加很小, 減少了應力集中, 提高了強化效果;( 3) 無固體彈丸廢棄物, 符合綠色材料選擇原則, 不因彈丸破損而降低表面可靠性;( 4) 低噪聲、無塵、無毒、無味、安全、衛生有利于環境保護和操作者的健康。高壓水射流噴丸強化技術先進、優勢明顯, 具有廣闊的應用前景[4]。

2.1.2.4 微粒沖擊

最近日本研究者提出了一種微粒沖擊技術, 這種方法可大大簡化因為想同時提高金屬零部件表面硬度、 耐疲勞強度、耐磨性能并且降低表面粗糙度, 而先后進行噴丸強化、表面研磨和拋光處理的做法。
與傳統噴丸強化相比, 微粒沖擊方法采用的彈丸直徑小,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, 而且通過殘余應力分析, 微粒沖擊樣品的最大殘余應力則在表面以下 100μm; 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普通噴丸處理的工件表面硬度相當, 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

中國科學院沈陽金屬研究所對傳統噴丸技術進行了改經,開發了噴丸( 高頻) 和高能噴丸( 低頻) 技術, 實現了多種金屬材料的表面納米化, 依對 304 不銹鋼的研究表明, 隨著高能噴丸處理時間的增加, 金屬中馬氏體的含量增加, 到一定時間后達到飽和, 金屬材料表面納米化可顯著提高材料的表面硬度, 還可以明顯降低氮化溫度、縮短氮化時間[5]。

2.1.3 噴丸強化發展趨勢

伴隨這現代工業的快速發展,對機械產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,節約資源,提高生產力,減少環境污染已成為表面工程技術新的挑戰。作為表面工程技術分支的表面噴丸強化技術面對這些機遇和挑 戰,將 在 加 強 理 論 研 究 的 基 礎 上 發 展 新 技 術 、 新 方 法 、 新 工藝、新設備和設備控制技術。

其主要研究方向[6]是: 理論研究,也就是研究各種單一噴丸和復合噴丸的強化機理、噴丸提高零構件疲勞和接觸疲勞強度的機制、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( 彈丸材質、硬度、直徑等) 對噴丸強度的影響、噴丸使殘余奧氏體轉變為馬氏體后材料的穩定性及耐磨性等; 研究噴丸工藝和其他強化工藝方法的有機結合;加大開發新型、高效、低耗的噴丸設備和彈丸屬性對噴丸強化效果的
影響; 著力解決傳統噴丸強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 滾壓強化工藝

滾壓強化工藝是一種無切削加工工藝, 表面滾壓可以顯著地提高零件的疲勞強度, 并且降低缺口敏感性。

2.2.1 滾壓強化原理

利用特制的滾壓工具,對零件表面施加一定壓力,使零件表面層的金屬發生塑性變形,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單的大零件, 尤其是尺寸突然變化的結構應力集中處, 如火車軸的軸徑等, 表面滾壓處理后, 其疲勞壽命都有了顯著提高。

圖 1 表面滾壓工藝示意圖

滾輪滾壓加工可加工圓柱形或錐形的外表面和內表面曲線旋轉體的外表面、平面、端面、凹槽、臺階軸的過渡圓角。滾壓用的滾輪數目有 1、2、3。 單一滾輪滾壓只能用于具有足夠的工件; 若剛度工件較小, 則需用 2 個或者 3 個滾輪在相對的方向上同時進行滾壓, 以免工件彎曲變形, 如圖 1( a) 、( b) 所示[7]。

2.2.2 滾壓強化的發展狀況

滾壓強化技術是 1929 年由德國人提出的, 1933 年在美國鐵路上開始應用滾壓方法, 1938 年前蘇聯應用 于 機 車 車 軸 軸頸。 1950 年美國、前蘇聯在軍用、民用飛機上大量應用孔擠壓技術, 如提高干涉配合鉚接、干涉配合螺接; 1970 年國 內 航 空部門開始將冷擠壓工藝應用到飛機制造及維修中[8]

目前主要的滾壓加工工具有硬質合金滾輪式滾壓工具、滾柱式滾壓工具、硬質合金 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2～4 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, 而且滾壓過程操作方便, 效率高、凈潔無污染, 其具有應用范圍寬, 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一定要求的零件表面。
這種方法主要應用在大型軸類、套筒類零件內、外旋轉表面的加工、滾壓螺釘、螺栓等零件的螺紋以及滾壓小模數齒輪和滾花等, 并取得了顯著成果, 很好的提高了經濟效益, 如天津大 學 內 燃 機 研 究 所 唐 琦 等 人 通 過 對 370Q 型 汽 油 機 、376Q 型柴油機進行的曲軸負荷分析、強度估算及彎曲疲勞強度實驗表明, 與未滾壓曲軸相比教, 經圓角滾壓的曲軸疲勞強度增加了92.3% , 安全系數由 1.18 提高到 2.28 并大幅度提高曲軸疲勞強度; 還有如柳州南方汽車缸套廠在對缸套進行滾壓試驗后發現同一材料、硬度和壁厚的氣缸套, 由原來的直槽改制成為沉割槽, 其破斷力在原來基礎上提高了 35%以上, 技術指標顯著增加, 獲得明顯效果, 如表 1[9]所示。

通過大量試驗研究和工廠實踐表明, 影響到滾壓質量的因素主要有以下幾種: 工件材料的性質: 硬度、塑性、金相組織, 硬度越低, 塑性越高, 則滾壓效果越好; 預加工的表面狀況: 表面粗糙度、顯微組織、幾何形狀精度; 滾壓工具的結構: 特殊的加工類型需要相應的滾壓工具才能更好的保證加工質量; 滾壓用量: 滾壓深度、進給量、滾壓速度、滾壓次數[10]。

2.2.3 滾壓強化的發展趨勢

定量定性。為獲得特定的材料表面晶粒度、變形層厚度, 應采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數, 目前沒有這方面有指導意義的詳細的試驗數據或公式。形式的多樣性。目前的滾壓技術一般只適用于回轉體類和平面類零件, 所以應完善滾壓技術使得能適應零件形式的多樣性, 提高其使用范圍。
大塑性變形。 一般傳統的滾壓技術很難實現大變形, 即使施加了比正常情況下高出幾倍的壓力, 達 3000N 甚至更高,也未能消除車削留下的刀痕。高強度。 目前國內企業采用曲軸滾壓工藝強化技術較低,一般只能提高強度 30% ～50% , 當需要大幅度提高強度時, 還需有更好滾壓強化工藝[11]。

2.3 內擠壓強化工藝

孔擠壓是一種使孔的內表面獲得形變強化的工藝措施, 效果明顯。

2.3.1 內擠壓強化原理

孔擠壓是利用棒、襯套、模具等特殊工具, 對零件孔或周邊連續、緩慢、均勻地擠壓, 形成塑性變形的硬化層。 塑性變形層內組織結構發生變化, 引起形變強化, 并產生殘余壓應力, 降低了孔壁粗糙度, 提高了材料疲勞強度和應力腐蝕能力很有效。

2.3.2 內擠壓強化的發展狀況

由于孔擠壓強化效率高、效果好、方法簡單, 使用于高強度鋼, 合金結構鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等零件。 主要被擠壓孔的形狀主要是圓孔、橢圓孔、長圓孔、臺階孔、埋頭窩孔和開口孔。

目前主要應用于以下幾種類型[12]:

擠壓棒擠壓強化。 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維修;襯套擠壓強化。 孔內裝有襯套, 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;壓印模擠壓強化。 在圓孔或長圓孔周圍用壓印模擠壓出同心溝槽。 適用于大型零部件及蒙皮關鍵承力部位的孔壓印;旋轉擠壓強化。 使用有一定過盈量, 經向鑲有圓柱體的擠壓頭, 旋轉通過被擠壓的孔, 適用于起落架大直徑管件和孔。

由于內擠壓特殊的高效而簡單的強化工藝, 使得內擠壓強化工藝得到了一系列廣泛的應用, 并也取得了良好的效果, 一下是幾種常見材料擠壓的強化效果見表二[13], 可知孔擠壓后可大幅度提高疲勞極限。也由于內擠壓的特殊工藝性, 要求一定要均勻、緩慢、連續地擠壓孔, 不允許有沖擊和暫停現象。

3 結論

表面形變強化效果顯著, 成本低廉, 是近年來國內外廣泛研究應用的工藝之一, 也是提高金屬材料疲勞強度的重要工藝措施之一。