鑫侖科普——噴丸處理

文章來源—上大鑫侖材料科技有限公司

什么是噴丸？

噴丸是一種常見的表面處理工藝，通過高速運(yùn)動(dòng)的丸粒持續(xù)沖擊工件表面，可使工件表面產(chǎn)生塑性變形，引入加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化，同時(shí)在工件表面形成一定深度的殘余壓應(yīng)力層。噴丸強(qiáng)化能夠有效提高工件的抗磨損性、抗疲勞性和抗腐蝕性。噴丸與噴砂的機(jī)理類似，都是以壓縮空氣作為動(dòng)力，只是選擇的介質(zhì)不同，通常來說噴丸的丸粒尺寸更大，彈丸直徑在0.2~2.5mm之間。噴砂的主要目的是清理工件表面，而噴丸的主要作用是強(qiáng)化工件表面，其清理效果相對(duì)較差。

 噴丸示意圖

上大鑫侖噴丸設(shè)備

以下是模具噴丸前后的照片，由圖可見噴丸后模具表面的污物已被去除，表面更加光潔。

（a）（c）噴丸前，（b）（d）噴丸后

噴丸強(qiáng)度和覆蓋率 

目前主要通過噴丸強(qiáng)度和覆蓋率兩個(gè)參數(shù)來表征噴丸的效果，一般依據(jù)目標(biāo)噴丸強(qiáng)度和覆蓋率來制定噴丸工藝。

1、噴丸強(qiáng)度：指的是噴丸時(shí)間延長一倍時(shí)，阿爾門試片弧高值增量為10%的點(diǎn)。噴丸強(qiáng)度曲線如下圖所示，隨著噴丸時(shí)間的延長阿爾門試片的弧高值不斷增大，但其增大的幅度不斷降低，噴丸強(qiáng)度為“飽和曲線”上的一個(gè)特殊點(diǎn)，即噴丸時(shí)間延長一倍，弧高值的增量不超過10%。

噴丸強(qiáng)度飽和曲線

2、覆蓋率：指的是噴丸后工件表面彈坑面積占原始表面積的百分比。通常將覆蓋率大于98%定義為“完全覆蓋”，即認(rèn)為其覆蓋率為100%。當(dāng)所需覆蓋率大于100%，可以通過延長噴丸時(shí)間來獲得。比如要求覆蓋率為200%時(shí)則需將達(dá)到100%覆蓋率所需的時(shí)間延長一倍。工件的材料，幾何形狀都會(huì)對(duì)覆蓋率產(chǎn)生影響。目前覆蓋率的檢測方法主要有目測法、熒光法和覆蓋率檢測儀測定法。

噴丸強(qiáng)化機(jī)制 

噴丸強(qiáng)化機(jī)制主要有兩方面：

1、應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制：噴丸過程中，工件表面在丸粒的沖擊下產(chǎn)生塑性變形，使材料向四周延伸，延伸的部分會(huì)受到周圍組織的束縛形成一定的殘余壓應(yīng)力，當(dāng)丸粒沖擊AB中心部位的材料時(shí)，材料會(huì)向四周產(chǎn)生膨脹，而周圍的材料會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力抑制其膨脹，而在CD位置的材料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輕微拉延的過程，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)與壓應(yīng)力平衡的拉應(yīng)力。

噴丸受力模型

以下是典型的噴丸殘余應(yīng)力分布曲線，即表層存在一定的殘余壓應(yīng)力，而在次表層存在拉應(yīng)力與之平衡。噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能夠抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高工件的疲勞壽命。

典型噴丸殘余應(yīng)力分布

下圖為噴丸前后H13鋼熱疲勞性能對(duì)比，由圖可見經(jīng)噴丸處理試樣的疲勞裂紋明顯更加細(xì)小。

噴丸前后熱疲勞性能對(duì)比

2、組織強(qiáng)化機(jī)制：噴丸能夠使工件表面產(chǎn)生塑性變形，提高工件表面的位錯(cuò)密度，產(chǎn)生加工硬化，還可以誘發(fā)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。當(dāng)噴丸達(dá)到一定程度時(shí)，可以使工件表面的晶粒細(xì)化，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化，表層細(xì)化的晶粒能夠提高裂紋萌生的門檻值，而亞表層粗大的晶粒能夠抑制裂紋擴(kuò)展。對(duì)于高溫服役的工件，殘余應(yīng)力通常會(huì)釋放，導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制減弱，此時(shí)，組織強(qiáng)化機(jī)制是提高材料抗疲勞性能的重要因素。

噴丸的實(shí)際應(yīng)用 

對(duì)比曲軸熱鍛模未噴丸（左）和噴丸后（右）在服役8000模次后的表面形貌?？梢娢磭娡璧哪＞叱霈F(xiàn)了嚴(yán)重的磨損和變形，而噴丸后的模具僅在一些邊緣的部位出現(xiàn)輕微的磨損，損壞程度遠(yuǎn)小于未噴丸的模具。

未噴丸（左）和噴丸后（右）

曲軸熱鍛模8000模次后的形貌

目前，我司開發(fā)的噴丸處理工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓鑄模具上，能夠明顯提高抗熱疲勞性能。同時(shí)，通過和氧氮化進(jìn)行復(fù)合處理，在提高抗熱疲勞性能的同時(shí)，還可提高抗熔損性能，進(jìn)而顯著提高模具壽命。