1碟形彈簧噴丸強(qiáng)化處理的原理

噴丸處理又稱噴丸強(qiáng)化處理，它是利用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸向材料（零件）表面噴射，使被處理表層產(chǎn)生循環(huán)塑性應(yīng)變層（此塑性變形層深度通常為0.1-0.8mm），由此導(dǎo)致該層的顯微組織發(fā)生有利的變化并使表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。合理地利用表面塑性變形層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)（應(yīng)力強(qiáng)化）和變形層微觀組織的變化（組織強(qiáng)化），可以改善金屬材料對(duì)疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕及延遲斷裂（氫脆）的抗力。

噴丸處理的原理如圖1所示。噴丸是以高速?gòu)椡枇鞑粩鄧娚鋸椈杀砻?，使彈簧表層發(fā)生多次塑性變形，而形成了一定厚度的表面強(qiáng)化層（圖1a）。從應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，強(qiáng)化層內(nèi)形成了較高的剩余壓應(yīng)力（圖1b）。由于材料表面剩余壓應(yīng)力的存在，當(dāng)彈簧在承受變載荷時(shí)，可以抵消一部分變載荷作用下的最大拉應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。從組織結(jié)?構(gòu)看，強(qiáng)化層內(nèi)形成了密度極高的位錯(cuò)（圖1c），在隨后的交變應(yīng)力、溫度或兩者同時(shí)的作用下，位錯(cuò)逐漸排列規(guī)則，形成多邊形，即強(qiáng)化層內(nèi)逐漸形成更加微小的亞晶粒（亞結(jié)構(gòu)）（圖1d）。這種表面層冷作硬化的結(jié)果，同樣也具有增加抗疲勞強(qiáng)度的作用。

在噴丸強(qiáng)化機(jī)制方面，我國(guó)學(xué)者做了大量、深入的研究工作。王仁智提出了“噴丸過程中，金屬表面層形變的本質(zhì)為循環(huán)應(yīng)變疲勞過程”的觀點(diǎn)，這一觀點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外專家的贊同；通過對(duì)高溫疲勞強(qiáng)度與表面強(qiáng)化之間關(guān)系的研究，指出噴丸強(qiáng)化機(jī)制中的“應(yīng)力強(qiáng)化”和“組織強(qiáng)化”是兩個(gè)最基本的強(qiáng)化因素；并分析了殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)疲勞短裂紋行為的影響，提出了最佳殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的概念。

2碟形彈簧噴丸強(qiáng)化處理的作用和效果

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中，凡是在工作中易發(fā)生疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂、氧化和點(diǎn)蝕等現(xiàn)象的機(jī)械零件均可以采用噴丸強(qiáng)化來(lái)改善其表面的力學(xué)性能。噴丸處理主要是起到強(qiáng)化作用進(jìn)而能改善材料（零件）的各種性能，但是也會(huì)帶來(lái)對(duì)表面的一些損傷。根據(jù)研究結(jié)果和實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，噴丸強(qiáng)化處理的作用和效果有以下幾個(gè)方面。

（1）抗疲勞強(qiáng)度的提高提高零件抗疲勞強(qiáng)度是噴丸強(qiáng)化處理的主要目的，對(duì)于經(jīng)受交變載荷的零件噴丸強(qiáng)化是重要的改進(jìn)手段。噴丸處理對(duì)于提高工件疲勞壽命的效果是很顯著的。

在汽車工業(yè)中，變速箱齒輪經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，其承載能力（扭矩）可增加30％；曲軸和板簧噴丸強(qiáng)化后，其疲勞壽命可延長(zhǎng)數(shù)倍。噴丸強(qiáng)化也可以有效地改善焊接件的抗疲勞性能。高溫合金GH4169渦輪盤車削表面經(jīng)放電加工后抗疲勞強(qiáng)度降低20％～60％，而經(jīng)噴丸強(qiáng)化后能恢復(fù)并超過材料原始抗疲勞強(qiáng)度。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的制造中，許多重要零件（包括鈦合金和高溫合金零件）均需進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。

（2）防止應(yīng)力腐蝕開裂（簡(jiǎn)稱SCC）應(yīng)力腐蝕的特征就是在僅有拉應(yīng)力或者僅有腐蝕存在時(shí)都不會(huì)發(fā)生開裂，而當(dāng)兩者同時(shí)起作用時(shí)斷裂就會(huì)發(fā)生。防止SCC的對(duì)策除了針對(duì)環(huán)境及材料方面措施以外從應(yīng)力方面考慮的對(duì)策就是如何降低或消除材料表面的拉應(yīng)力，從殘余應(yīng)力方面來(lái)考慮去應(yīng)力熱處理和噴丸都是可行的方法。噴丸處理雖然只有表面的薄層起作用，但因?yàn)楦g和裂紋生成都是從表面開始的，所以噴丸處理對(duì)于防止SCC的發(fā)生有顯著的效果。

（3）防止延遲斷裂延遲斷裂是指由于腐蝕而發(fā)生的氫在鋼的晶界聚集而產(chǎn)生沿晶裂紋并傳播擴(kuò)展直至斷裂，斷裂的產(chǎn)生原因就是在常溫下可以向附近擴(kuò)散的氫（擴(kuò)散性氫），也就是鋼中原有的氫與因腐蝕而產(chǎn)生的氫向應(yīng)力集中的晶界聚集，在晶界處發(fā)生裂紋并沿晶界傳播而產(chǎn)生斷裂。試驗(yàn)表明對(duì)于易發(fā)生延遲斷裂的淬火回火處理后的高強(qiáng)度鋼與合金滲碳鋼，噴丸處理可以提高其延遲斷裂強(qiáng)度極限，延遲其裂紋發(fā)生而延長(zhǎng)壽命。

（4）對(duì)表面粗糙度的損傷噴丸時(shí)隨加工時(shí)間的增加，加工面會(huì)逐漸被壓痕所覆蓋，直到原有的表面完全被噴丸后的表面所代替，而噴丸后的表面與原有的加工或磨削表面是有顯著差別的，這就引起噴丸所產(chǎn)生的各種各樣的效果。

一般噴丸后材料表面粗糙度是增加的，其損害程度與噴丸強(qiáng)度、丸粒大小、投射速度以及丸粒的硬度與被加工材料的硬度等各種因素有關(guān)。

因?yàn)椴牧希慵┑钠趶?qiáng)度隨表面粗糙度的增加而有下降的（圖2），試驗(yàn)表明材料的硬度越高其疲勞強(qiáng)度下降越明顯。?

（5）對(duì)材料表面組織結(jié)構(gòu)的損傷正確合理的噴丸處理對(duì)材料表面微觀組織的強(qiáng)化是有利的，但是當(dāng)噴丸處理不良時(shí)例如過度噴丸就會(huì)給表面組織帶來(lái)?yè)p傷，即表面材料的折疊缺陷與過度的循環(huán)應(yīng)變疲勞造成的微裂紋。

（6）其他效果噴丸加工的效果還有因潤(rùn)滑性的改善而帶來(lái)耐磨性的提高、熱傳導(dǎo)率的增加以及不銹鋼耐蝕性的提高等，但還有進(jìn)一步試驗(yàn)研究必要。

3噴丸效果的衡量

關(guān)于彈簧噴丸的術(shù)語(yǔ)的定義以及技術(shù)要求與試驗(yàn)和檢驗(yàn)方法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T31214.1-2014《彈簧噴丸》第一部分通則中都有規(guī)定，可參照進(jìn)行。這里簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)主要的用來(lái)控制與衡量彈簧噴丸效果的試驗(yàn)與檢驗(yàn)項(xiàng)目。

（1）噴丸強(qiáng)度噴丸強(qiáng)度取決于在單位時(shí)間內(nèi)作用于工件單位面積上的動(dòng)能，由在飽和點(diǎn)處的阿爾曼試片弧高來(lái)評(píng)定。噴丸強(qiáng)度是衡量噴丸處理強(qiáng)化效果最重要的參數(shù)，在彈簧噴丸的技術(shù)要求中是必不可少的控制指標(biāo)。

阿爾曼試片以及弧高度的測(cè)量方法在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)描述。

注意噴丸強(qiáng)度是在噴丸時(shí)間已達(dá)到飽和的前提下測(cè)得的弧高度來(lái)表示的，圖3是弧高度曲線和確定噴丸強(qiáng)度的關(guān)系。

（2）噴丸覆蓋率是指噴丸形成的彈痕面積與總測(cè)量面積的比率。一般情況下可用標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)比的方法用目視法確定覆蓋率的百分比，也可以用覆蓋率的檢測(cè)儀器（現(xiàn)在市場(chǎng)上已有覆蓋率的視頻檢測(cè)儀出售）。

（3）殘余應(yīng)力去除外力和熱影響以后保留在材料上的內(nèi)應(yīng)力。噴丸處理的應(yīng)力強(qiáng)化效果主要涉及噴丸后彈簧表面殘余應(yīng)力場(chǎng)的深度及其形態(tài)。推薦采用X射線應(yīng)力測(cè)試儀，用逐步電解侵蝕剝層法可以測(cè)定出噴丸強(qiáng)化層的殘余應(yīng)力場(chǎng)，圖4所示是噴丸強(qiáng)度不同時(shí)的殘余應(yīng)力分布曲線。

現(xiàn)在有的對(duì)疲勞性能要求較高的彈簧產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)噴丸后的表面殘余壓應(yīng)力指標(biāo)有規(guī)定（如中國(guó)彈簧專業(yè)協(xié)會(huì)編寫的CSSA10001-2007＜汽車懸架用螺旋彈簧技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)＞）。一般情況下噴丸強(qiáng)化處理后表面殘余應(yīng)力的控制參數(shù)有三個(gè)：①表面殘余壓應(yīng)力；②次表面最大殘余壓應(yīng)力；③表面殘余壓應(yīng)力層的深度。

（4）顯微硬度噴丸處理表面層的組織強(qiáng)化實(shí)際包括微觀結(jié)構(gòu)的變化和相應(yīng)的力學(xué)性能的變化。組織強(qiáng)化的度量參數(shù)包括顯微畸變量、嵌鑲塊尺寸、位錯(cuò)密度等；力學(xué)性能的變化包括顯微硬度，甚至包括表面層宏觀力學(xué)指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度等。實(shí)際比較容易測(cè)試的是顯微硬度（用小負(fù)荷，50g以下較好），在工藝驗(yàn)證或研究時(shí)進(jìn)行噴丸表面的硬度梯度試驗(yàn)來(lái)獲得表面組織強(qiáng)化的效果數(shù)據(jù)。

（5）表面粗糙度可以在噴丸后測(cè)量彈簧的表面粗糙度，一般彈簧產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有彈簧表面粗糙度的規(guī)定，但是有些有高可靠性要求的高端彈簧已有提出，如中國(guó)彈簧專業(yè)協(xié)會(huì)的CSSA10001-2007＜汽車懸架用螺旋彈簧技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)＞中有規(guī)定，對(duì)設(shè)計(jì)最大剪應(yīng)力≥1100MPa的彈簧要求表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra值≤50μm0μm、設(shè)計(jì)最大剪應(yīng)力≥1150MPa的Ra≤25μm1。關(guān)于粗糙度參數(shù)Ra的定義與測(cè)量方法請(qǐng)參照國(guó)標(biāo)GB／T6060.3-2008《表面粗糙度比較樣塊第3部分》。

（6）噴丸強(qiáng)化層的顯微組織噴丸處理表面層的組織強(qiáng)化包括微觀結(jié)構(gòu)的變化和相應(yīng)的力學(xué)性能的變化。組織強(qiáng)化的度量參數(shù)包括顯微畸變量、嵌鑲塊尺寸、位錯(cuò)密度等，這些參數(shù)在研究噴丸強(qiáng)化工藝時(shí)需要通過電子金相技術(shù)手段進(jìn)行分析。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作為衡量彈簧噴丸效果的試驗(yàn)方法，常規(guī)的光學(xué)金相試驗(yàn)也是十分重要的。對(duì)于噴丸層的組織而言，表面的變形組織，包括深度有限的由噴丸形成的折疊都是正常的，但是因噴丸過度而造成的微裂紋則反而會(huì)促使表面疲勞裂紋的早期形成而工件的降低疲勞壽命，這是需要注意的。

4噴丸處理要素和工藝方法

噴丸強(qiáng)化處理的要素有三個(gè)，即噴丸介質(zhì)即丸粒、噴丸設(shè)備以及噴丸工藝。

（1）彈丸 噴丸效果與彈丸的材料、硬度、尺寸、形狀、速度和密度及拋丸持續(xù)時(shí)間、碰撞角度等有關(guān)。彈丸是由金屬、玻璃或陶瓷制成的球形或近似球形的硬顆粒。彈丸一般分為四種，即鋼絲切丸、鑄鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。

鋼絲切丸是彈簧噴丸處理中最常用的一種彈丸，一般使用冷拔鋼絲經(jīng)切割、鈍化加工制成的丸粒。為避免噴丸對(duì)彈簧表面產(chǎn)生損傷，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)丸粒進(jìn)行拋圓（鈍化）處理，根據(jù)拋圓程度不同可分為4種類型（圖5）：

彈丸的類型、規(guī)格和硬度可根據(jù)彈簧的類型與尺寸（如鋼絲直徑）以及材料強(qiáng)度進(jìn)行選擇，以避免噴丸處理效果不佳或?qū)椈僧a(chǎn)生過噴變形至表面形成有害缺陷。為確保噴丸處理彈丸類型的質(zhì)量，要對(duì)噴丸介質(zhì)的材質(zhì)、形狀尺寸（過篩率）與硬度進(jìn)行檢驗(yàn)與控制。

（2）噴丸設(shè)備 噴丸設(shè)備是正確實(shí)施彈簧噴丸處理的最基本的要素。

常用的噴丸機(jī)有氣噴式和離心式兩種。氣噴式噴丸機(jī)是利用壓縮空氣將彈丸噴出，它需要壓縮空氣，動(dòng)能消耗大，由于壓縮空氣中含有水蒸氣，機(jī)器停用后，彈丸會(huì)黏為一團(tuán)，易使拋丸裝置和彈丸銹蝕，因此，氣噴式拋丸機(jī)在彈簧拋丸中較少應(yīng)用；離心式拋丸機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力消耗較少，速度比較穩(wěn)定。彈簧在拋丸時(shí)，要不停地翻動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，以使彈簧各處都噴射的均勻一致。離心式拋丸機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖6所示。常用的有滾筒式（圖6a）、履帶式（圖6b）、回轉(zhuǎn)滾道式（圖6c）、吊掛旋轉(zhuǎn)式等形式。一般螺旋彈簧用滾筒式、履帶式和回轉(zhuǎn)滾道式（或稱通過式）噴丸機(jī)，而吊掛旋轉(zhuǎn)式噴丸機(jī)一般應(yīng)用于扭桿類或重型螺旋彈簧的噴丸處理。

a）滾筒式；b）履帶式；c）回轉(zhuǎn)滾道式；1-滾筒；2、6、7-拋丸頭；3、5、8-工件；4-履帶；9-回轉(zhuǎn)滾道；10-輸送帶

（３）噴丸工藝噴丸處理一般在常溫下進(jìn)行，可分為普通噴丸、多級(jí)噴丸（不同條件的噴丸組合，如二次噴丸）和應(yīng)力噴丸等，在特殊要求下也可采取加熱噴丸工藝。以下分別介紹各種噴丸工藝的特點(diǎn)和要求：

１）普通噴丸：對(duì)于疲勞性能要求不高或工作應(yīng)力較低的彈簧應(yīng)進(jìn)行的最常用的一種噴丸處理工藝，通常使用直徑在0.2mm以上的丸粒，且噴丸強(qiáng)度低于0.6mmＡ。

２）多級(jí)噴丸：由一系列不同工藝條件進(jìn)行噴丸所組成的噴丸方式稱為多級(jí)噴丸。對(duì)于疲勞性能要求較高或工作應(yīng)力較高的彈簧應(yīng)進(jìn)行多級(jí)噴丸。二次噴丸是最常見的多級(jí)噴丸工藝之一，它是通過兩臺(tái)設(shè)備經(jīng)過不同丸粒和強(qiáng)度要求進(jìn)行的噴丸組合工藝，通常第一次噴丸用較大的丸粒和較高噴丸強(qiáng)度，第二次用較細(xì)的丸粒和較低噴丸強(qiáng)度，該工藝可在引入更好殘余應(yīng)力的同時(shí)，提高表面質(zhì)量（表面殘余壓應(yīng)力及改善表面粗糙度）。

該工藝可在引入更好殘余應(yīng)力的同時(shí)，提高表面質(zhì)量（表面殘余壓應(yīng)力及改善表面粗糙度）。

3）應(yīng)力噴丸：主要針對(duì)高疲勞和高應(yīng)力彈簧進(jìn)行的噴丸處理工藝。它是通過對(duì)彈簧施加一定載荷下進(jìn)行噴丸處理的工藝，該工藝能夠更好地引入殘余壓應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞壽命，一般應(yīng)用在鋼板彈簧和懸架螺旋彈簧的生產(chǎn)工藝中。

除以上三種方式外，還有熱噴丸、重噴丸及精細(xì)噴丸等多種方式。