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(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(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)化效果顯著，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(diǎn)以及目前表面強(qiáng)化主要研究方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
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(jiǎn)稱材料表面技術(shù)，是材料科學(xué)的一個(gè)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(guò)某些物理手段（包括機(jī)械手段）或化學(xué)手段來(lái)賦予材料表面特殊性能，以滿足產(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（尤其是金屬零件）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(guó)政府和科技界的重視。
1表面形變強(qiáng)化原理
通過(guò)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(guó)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勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐蝕點(diǎn)（孔蝕）能力，它具有操作簡(jiǎn)單、耗能少、效率高、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，是金屬材料表面改性的有效方法。
2.1.1噴丸強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r
1908年,美國(guó)制造出激冷鋼丸,金屬?gòu)椡璧某霈F(xiàn)不僅使噴砂工藝獲得迅速發(fā)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(guó)由Zimmerli等人首先將噴丸強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于彈簧的表面強(qiáng)化,取得了良好的效果[1]。20世紀(jì)40年代，人們就發(fā)現(xiàn)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、阻止裂紋在受壓區(qū)擴(kuò)展的作用。到了20世紀(jì)60年代，該工藝逐步應(yīng)用于機(jī)械零件的強(qiáng)化處理上。20世紀(jì)70年代以來(lái)，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(dòng)機(jī)及其他齒輪均采用了噴丸強(qiáng)化工藝，大幅度提高了抗疲勞強(qiáng)度。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，噴丸處理技術(shù)在大多數(shù)工業(yè)部門(mén)，如飛機(jī)制造、鐵道機(jī)車車輛、化工、石油開(kāi)發(fā)及塑料模具、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)部門(mén)等推廣應(yīng)用，到了20世紀(jì)90年代其應(yīng)用范圍進(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)的迅猛發(fā)展和需求，人們對(duì)這一操作簡(jiǎn)單，效果顯著的表面處理技術(shù)給予了極大的關(guān)注，開(kāi)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(diǎn)逐一介紹。
2.1.2噴丸強(qiáng)化工藝的工作原理
噴丸處理是一種嚴(yán)格控制的冷加工表面強(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)防工件疲勞破壞，把易產(chǎn)生疲勞破壞裂紋部位的抗應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，從而有效地控制裂紋擴(kuò)展。
2.1.2.1機(jī)械噴丸
大量彈丸在壓縮空氣的推動(dòng)下，形成高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流不斷地向零件表面噴射，使金屬晶體發(fā)生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度錯(cuò)位，足夠長(zhǎng)的時(shí)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(dòng)，造成重疊凹坑的塑性變形，在生成凹坑的過(guò)程中引起壓應(yīng)力并拉伸表面結(jié)構(gòu)，這一變化過(guò)程被工件內(nèi)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(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)件抗疲勞斷裂能力而得到廣泛應(yīng)用，但也存在不少問(wèn)題而影響其發(fā)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(qiáng)化是一項(xiàng)新技術(shù)。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始研究高密度激光束誘導(dǎo)的沖擊波來(lái)改善材料的疲勞強(qiáng)度。
激光噴丸的機(jī)理是：短脈沖的強(qiáng)激光透過(guò)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(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(guò)零件動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度極限時(shí)，板料表面發(fā)生了塑性變形，同時(shí)由于表面的塑性變形使表層下發(fā)生的彈性變形難以恢復(fù)，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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：（1）光斑大小可調(diào)，可以對(duì)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則無(wú)法進(jìn)行；（2）激光脈沖參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)具有可重復(fù)性，可在同一地方通過(guò)累計(jì)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；(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(gè)；（5）適用范圍廣、對(duì)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(lái)迅猛發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，在20世紀(jì)80年代末，Zafred首先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)生塑性形變（冷作硬化層），呈現(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)件周期疲勞強(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(diǎn)：（1）容易對(duì)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，減少了應(yīng)力集中，提高了強(qiáng)化效果；（3）無(wú)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(wú)塵、無(wú)毒、無(wú)味、安全、衛(wèi)生有利于環(huán)境保護(hù)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(shì)明顯，具有廣闊的'應(yīng)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(shù)，這種方法可大大簡(jiǎn)化因?yàn)橄胪瑫r(shí)提高金屬零部件表面硬度、耐疲勞強(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(guò)殘余應(yīng)力分析，微粒沖擊樣品的最大殘余應(yīng)力則在表面以下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普通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(zhǎng)被加工工件的使用壽命。
2.1.2.5超聲/高能噴丸
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所對(duì)傳統(tǒng)噴丸技術(shù)進(jìn)行了改經(jīng)，開(kāi)發(fā)了噴丸（高頻）和高能噴丸（低頻）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種金屬材料的表面納米化，依對(duì)304不銹鋼的研究表明，隨著高能噴丸處理時(shí)間的增加，金屬中馬氏體的含量增加，到一定時(shí)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，還可以明顯降低氮化溫度、縮短氮化時(shí)間[5]。
2.1.3噴丸強(qiáng)化發(fā)展趨勢(shì)
伴隨這現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品零件表面的性能要求越來(lái)越高,改善材料表面性能,延長(zhǎng)零件使用壽命,節(jié)約資源,提高生產(chǎn)力,減少環(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(duì)這些機(jī)遇和挑戰(zhàn),將在加強(qiáng)理論研究的基礎(chǔ)上發(fā)展新技術(shù)、新方法、新工藝、新設(shè)備和設(shè)備控制技術(shù)。
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(fù)合噴丸的強(qiáng)化機(jī)理、噴丸提高零構(gòu)件疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度的機(jī)制、噴丸過(guò)程力的作用形式及對(duì)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(duì)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)定性及耐磨性等；研究噴丸工藝和其他強(qiáng)化工藝方法的有機(jī)結(jié)合;加大開(kāi)發(fā)新型、高效、低耗的噴丸設(shè)備和彈丸屬性對(duì)噴丸強(qiáng)化效果的影響；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(wèn)題。
2.2滾壓強(qiáng)化工藝
滾壓強(qiáng)化工藝是一種無(wú)切削加工工藝，表面滾壓可以顯著地提高零件的疲勞強(qiáng)度，并且降低缺口敏感性。
2.2.1滾壓強(qiáng)化原理
利用特制的滾壓工具,對(duì)零件表面施加一定壓力,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(wú)屑加工。表面滾壓特別適用于形狀簡(jiǎn)單的大零件，尤其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，其疲勞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(tái)階軸的過(guò)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；若剛度工件較小，則需用2個(gè)或者3個(gè)滾輪在相對(duì)的方向上同時(shí)進(jìn)行滾壓，以免工件彎曲變形，如圖（a）、（b）所示[7]。
2.2.2滾壓強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)
定量定性。為獲得特定的材料表面晶粒度、變形層厚度，應(yīng)采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù)，目前沒(méi)有這方面有指導(dǎo)意義的詳細(xì)的試驗(yàn)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，提高其使用范圍。
大塑性變形。一般傳統(tǒng)的滾壓技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)大變形，即使施加了比正常情況下高出幾倍的壓力,達(dá)3000N甚至更高,也未能消除車削留下的刀痕。
高強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)采用曲軸滾壓工藝強(qiáng)化技術(shù)較低，一般只能提高強(qiáng)度30％～50％，當(dāng)需要大幅度提高強(qiáng)度時(shí)，還需有更好滾壓強(qiáng)化工藝[11]。
2.2.3滾壓強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r
滾壓強(qiáng)化技術(shù)是1929年由德國(guó)人提出的，1933年在美國(guó)鐵路上開(kāi)始應(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(guó)、前蘇聯(lián)在軍用、民用飛機(jī)上大量應(yīng)用孔擠壓技術(shù)，如提高干涉配合鉚接、干涉配合螺接；1970年國(guó)內(nèi)航空部門(mén)開(kāi)始將冷擠壓工藝應(yīng)用到飛機(jī)制造及維修中[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(guò)滾壓可以提高表面粗糙度2～4級(jí)，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(guò)程操作方便，效率高、凈潔無(wú)污染，其具有應(yīng)用范圍寬，滾壓后的零件使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，適用于對(duì)粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。
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，如天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所唐琦等人通過(guò)對(duì)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)度估算及彎曲疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明，與未滾壓曲軸相比教，經(jīng)圓角滾壓的曲軸疲勞強(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勞強(qiáng)度；還有如柳州南方汽車缸套廠在對(duì)缸套進(jìn)行滾壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)同一材料、硬度和壁厚的氣缸套，由原來(lái)的直槽改制成為沉割槽，其破斷力在原來(lái)基礎(chǔ)上提高了35%以上，技術(shù)指標(biāo)顯著增加，獲得明顯效果，如表1[9]所示。
表1氣缸套滾壓前后主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表
氣缸套規(guī)格前后對(duì)比平均破斷力氣缸套規(guī)格前后對(duì)比平均破斷力
6105QB直槽131.18
6105QC直槽176.14
滾壓槽176滾壓槽243.39
提高(%)35.69提高(%)28.18
通過(guò)大量試驗(yàn)研究和工廠實(shí)踐表明，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，則滾壓效果越好；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)：特殊的加工類型需要相應(yīng)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，效果明顯。
2.3.1內(nèi)擠壓強(qiáng)化原理
孔擠壓是利用棒、襯套、模具等特殊的工具，對(duì)零件孔或周邊連續(xù)、緩慢、均勻地?cái)D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(duì)提高材料疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕能力很有效。
2.3.2內(nèi)擠壓強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r
由于孔擠壓強(qiáng)化效率高、效果好、方法簡(jiǎn)單，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(zhǎng)圓孔、臺(tái)階孔埋頭窩孔和開(kāi)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�？妆谏贤扛赡�(rùn)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(qiáng)化�？變�(nèi)裝有襯套，擠壓棒用拉擠或推擠方式通過(guò)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(zhǎng)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(guān)鍵承力部位的孔壓��；
旋轉(zhuǎn)擠壓強(qiáng)化。使用有一定過(guò)盈量，經(jīng)向鑲有圓柱體的擠壓頭，旋轉(zhuǎn)通過(guò)被擠壓的孔，適用于起落架大直徑管件和孔。
由于內(nèi)擠壓特殊的高效而簡(jiǎn)單的強(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，并也取得了良好的效果，一下是幾種常見(jiàn)材料擠壓的強(qiáng)化效果見(jiàn)表二[13]，可知孔擠壓后可大幅度提高疲勞極限。
表二各種材料孔擠壓強(qiáng)化效果
材料孔直徑/mm應(yīng)力循環(huán)次數(shù)/次疲勞極限/MPa
未擠壓擠壓
300M鋼301×106280320
AF410鋼201×106430610
30CrMnSiNiZA鋼61×106523680
40CrNiMoA鋼61×106320470
30CrNiMoV鋼61×106260300
Ti6A14V鈦合金201×106157206
LC9鋁合金61×10760110
LC4鋁合金61×10775121
也由于內(nèi)擠壓的特殊工藝性，這就要求擠壓時(shí)一定要均勻、緩慢、連續(xù)的擠壓孔，不允許有沖擊和暫停現(xiàn)象。
3結(jié)論
表面形變強(qiáng)化效果顯著，成本低廉，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一，也是提高金屬材料疲勞強(qiáng)度的重要工藝措施之一。
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