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摘要: 喷丸具有操作简 单、耗能少、效率高、适应面广等优点, 是金属材料表面改性的有效方法。 综述了喷丸表面改性技术的较新进展, 介绍了 利用 微粒冲击和微粒镶嵌镀膜提高材料的耐磨性能、通过高能和超声喷丸实现金属表面纳米化及简化氮化工艺的研究结果, 总结了 喷丸力学分析的现状, 提出在喷丸技术领域今后应加强材料力学性能的研究, 获得能够直接服务于工艺的工程计算方法, 以开拓新的应用 领域。本文由抛丸机生产厂家整理
关键词: 喷丸; 微粒冲击; 微粒镶嵌镀膜; 高能 /超声喷丸; 动态仿真

0 引 言
喷丸是*种广泛使用的材料表面冷加工方法,可实现表面清理、光洁度加工、 成形、校正和机械强化等多种功能。 该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等多种优势, 在飞机、坦克、 汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、 涡轮盘、叶片及模具、 切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用

较近, 人们对这*操作简单、效果显著的表面处理技术给予了 极大的关注, 开发了 微粒冲击、微粒镶嵌镀膜、高能和超声喷丸等多种新技术, 通过改变残余应力的位置、表面粗糙度、摩擦系数、 表面金属颗粒状态等, 实现机械强化、 提高耐磨性[ 1~ 3]。能、延长使用寿命、 金属表面纳米化、 降低氮化温度等多种不同的功能, 极大地拓展了喷丸技术的应用领域。

1 微粒冲击

机械加工业的发展对材料表面性能提出了 越来越高的要求, 人们希望在提高金属零部件表面硬度和耐疲劳强度的同时降低表面粗糙度, 增加耐磨性能。 以往的做法是对试件先进行喷丸强化, 然后进行表面研磨和抛光处理。 但这种方法不仅费时费力, 且常会引起材料表面污染。 日 本研究者较近提出了 *种微粒冲击技术[ 4], 可大大简化这*加工过程。

表 1 微粒冲击与传统喷丸强化的性能比较

表 1比较了 传统喷丸强化与微粒冲击技术在实现方式、 表面粗糙度、 表面硬度等方面的特性。与传统喷丸强化相比, 微粒冲击方法采用的弹丸直径小, 冲击速度快, 硬度提高, 处理后工件表面硬度增加的幅度大, 表面的粗糙度小。 图 1显示了 喷丸强化和微粒冲击材料的表面显微形貌。 微粒冲击材料的表面粗糙度为 Ry= 9. 21Lm, 是喷丸强化处理粗糙度的*半, 并且其峰间距和轮廓大小也明显小于喷丸强化的样品。 材料的断面组织分析显示, 微粒冲击样品的组织变化从表面向下延伸至 14Lm, 而喷丸强 化对材料组织的影响程度达 300Lm。 与此对应, 断面硬度测量的结果表明 (图 2a), 微粒冲击材料的硬度随深度的增加从 500HV(表面 )下降到 400HV( 14Lm处 ), 与喷丸强化材料表层的硬度相当。 残余应力分析结果显示 (图 2b), 微粒冲击样品的较大残余应力出现在样品的表面, 而喷丸强化样品的较大残余应力则在表面以下 100Lm处, 其存在深度大于微粒冲击。 因此与喷丸强化相比, 微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表层硬度相当, 但微粒冲击明显降低了 工件的表面粗糙度, 可使耐磨特性得到显著提高, 因此可延长被加工工件的使用寿命。微粒冲击技术可广泛用于汽车螺纹、 齿轮、螺杆、内燃机活塞、各种切削工具和模具的加工, 能明显延长工具的使用时间。

2 微粒镶嵌镀膜

软质喷丸处理是材料表面加工方法之*, 通常使用海绵、干冰、 碳酸氢钠和塑料等软磨料, 清除工件表面的油脂、 烟灰、 油漆等, 污染少, 并达到减少原材料表面损伤的目 的[ 5]。 较近, 日 本研[ 6, 7], 该技术*先究者发明了 微粒镶嵌镀膜技术用粒径为几十微米、硬度高于工件表面的微粒以近音速 ( 150 ~ 200m/s)冲击基体, 并使微粒镶嵌于基体中形成 复合表面, 然后换用 Sn、 Ag 、 MoS2等软质金属微粒或具有固体润滑特性的微粒实施二次冲击, 在硬质微粒复合面的基础上生成厚达几微米的镀膜层, 如图 3所示。 该方法可实现既增加材料表面强度, 又降低摩擦系数, 从而达到减少磨耗、延长材料使用寿命的目 的。

实验研究发现软质金属覆膜可明显降低材料的摩擦系数。 对纯 Ti金属 ( 99. 5% )表面分别采用平均粒径为 40Lm的 Ag和 Sn微粒进行喷射冲击形成厚度 约 2Lm 的金属膜, 测试其摩擦性能(磨具为 WC- Co系超硬合金, 载荷 19. 6N, 摩擦速度 2 m /s), 并与原材料进行对比研究, 发现原材料的干摩擦系数为 0. 3以上, 而经 Ag和 Sn金属微粒冲击后样品的摩擦系数减小近 50%。 微粒镶嵌镀膜材料的比磨耗量比较实验表明, 与纯Sn覆膜的状况进行对比, 对纯 A l基材分别采用Zr O2 /SiC加 Sn膜进行微粒镀膜后, 由于使用硬质微粒镶嵌后材料的表面硬度显著增加, 使得比[ 7]。 由 于金属微粒覆膜可极大地降低基材的摩擦系数, 而硬质微粒镶嵌提高了材料的表面硬度, 二者共同作用的结果使材料的耐磨性能大大增强, 从而延长了 工件的使用寿命。磨耗量明显降低

3 超声 /高能喷丸

利用纳米金属的优异性能对金属进行表面结构改良, 即制备具有纳米晶体结构的表面层, 可提高工程材料的综合力学性能和环境服役行为[ 8]。中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行改进, 开发了 超声喷丸 (高频 )和高能喷丸 (低频 )技术, 实现了 多种金属材料的表面纳米化超声 /高能喷丸装置如图 4a所示: 在圆筒型真空容器的底部安装*个震荡器, 样品置于真空容器的顶部, 直径为毫米量*的光滑不锈钢弹丸置于底部。 工作时, 整个系统在 50Hz~ 20kH z之[ 9 , 10 ]。间可控频率震荡。 样品表面在短时间内被大量的球反复冲击, 产生严重的弹性变形 (图 4b)。 同时, 表层形成了厚度达几十微米的纳米*晶粒层。[ 11]: 采用直径为 3mm 不锈钢弹丸对工业纯 铁板 ( 99. 95% ) 表面进行 超声 喷丸( 20k H z)处理, 喷丸前金属表面为粗晶结构, 晶粒平均尺寸为 20~ 150Lm。 经 450s超声喷丸后, 表层显微组织形成了 任意结晶取向的纳米晶, 晶粒平均尺寸降低到 10nm。 对材料的微观机制研究[ 12], 当采用较大直径的不锈钢弹丸 ( 8mm)、较低的震荡频率 ( 50H z)对纯铁表面进行 60min的高能喷丸后, 金属的表层区域有明显的塑性变形, 变形区的晶界与基体有显著的差别。 对 304不锈钢的研究表明, 随高能喷丸处理时间的增加,金属中马氏体的含量逐渐增加, 到*定时间后达到饱和实验结果显示显示[ 13]。

金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度。 图 5显示了 304不锈钢板材在 50H z频率下喷丸处理的显微硬度随处理时间的变化未处理的样品硬度为 2GPa , 高能喷丸 处理 5min后, 表面硬度提高到 3. 6GPa , 随着处理时间的延长, 表面硬度继续增加, 至 30min时趋于稳定, 达到 5GPa 。 同样, 将 400不锈钢对接接头进行高能喷丸处理, 其硬度和疲劳寿命均提高数倍劳试验结果显示, 当疲劳寿命为 2 @10能喷丸处理使焊接接头的疲劳强度提高了 79%。另外, 表面纳米化还可改善金属材料的耐摩擦性能

表面纳米化处理还可明显地降低氮化温度、[ 17]。 表面氮化是工业中*种广泛应用的材料表面处理技术, 在表面氮化过程中工缩短氮化时间件的表面形成*层硬质氮化物以提高表面服役行为。 采用传统方法对钢铁进行表面氮化处理, 往往需要在高温下 (500e 以上 )进行, 处理时间也较长 (通常 20~ 80h), 不仅耗能, 更重要的是许多材料在如此高温下长时间退火后会丧失其基体性[ 18]。 利用金属表面纳米化技术, 对纯铁先进行纳米化预处理以形成几十微米厚的纳米晶组织, 然后利用常规气体氮化 方法在 300e保温 9h后成功地实现了表面氮化, 获得 10Lm厚的氮化物层, 而未经处理的纯铁在同样条件下几乎无氮化物形成。 性能测试结果表明, 在 300e下形成的表面氮化层具有很高的硬度、耐磨性和[ 19]。耐腐蚀性

4 喷丸过程的力学分析

较近 20年, 研究者运用力学方法, 通过合理简化工艺参数对喷丸过程进行了 *系列 分析研究。 文献 [20~ 22]应用 Hertzian的弹性理论和线性塑性模型, 采用*维解析法对由喷丸产生的残余应力进行了 初步的预测。 Meguid等[ 23]于 1999年发表了非常经典的数值模拟喷丸过程的论文。随后, Baragetti等型推动了 该工作的进展。 Emmanuelle等了 喷丸和工件的相对强度的影响后, 进行了 二维喷射过程的模拟。 Guagliano等[ 24~ 26]采用轴对称二维和三维模[ 27]考虑[ 28]对喷丸对工件微裂纹扩展的阻碍作用进行了 三维数值模拟。 总结以上工作, 发现其共同特点是针对喷丸为刚性材料, 而且模拟的都是单个喷丸撞击的情况。 对于更为复杂的情形, 例如不同材质和微小粒径的弹丸、 多个弹丸连续撞击工件情况的模拟仍然相距甚远。 对喷丸过程的力学解析尚有很长的路要走。

我国较近几年也开展了喷丸机理和模拟的研究。 文献 [29~ 32]从不同角度 进行了 喷丸参数与残余应力场关系的力学解析。 在纳米尺度金属的力学性能研究方面, 清华大学的杨卫等了 9晶粒团簇加 30b旋转模型研究纳米晶体塑性行为, 定量地模拟了 纳米金属的蠕变性能, 与 Cai[ 34]早期利用电沉积方法获得的力学实验结果非常接近。 该计算方法应当也适应于模拟利用喷[ 33]建立等丸技术获得的表面纳米化金属的塑性行为。目 前, 国内外在喷丸处理提高工件抗疲劳强度和耐磨性能、延长使用寿命、 简化氮化工艺等方面做了 大量研究, 然而喷丸参数与工件性能的提高之间未建立量化联系, 缺乏喷丸过程的定量化分析以及与此相关的参数优化, 喷丸参数的选择只能依靠性能试验或经验, 造成的结果是大量消耗人力、 物力, 浪费时间, 并且不*定具有较佳的效果, 极大地制约了 喷丸技术的发展。 当前迫切需要通过工程计算, 建立较佳强化效果所对应的残余应力场与喷丸参数、基体材料性质的关系, 使喷丸技术步入到以工程计算和少量典型试验相结合的更科学的途径。 然而, 由于喷丸处理是成千上万个弹丸反复撞击工件表面并引起工件表层发生塑性变形、导致工件内残余应力场变化的过程,牵涉的影响因素繁多, 所以对该物理过程的直接#1408#模拟相当困难。 但是随着工程技术的发展, 尤其是近几年微粒喷丸、软质喷丸和金属表面纳米化技术等新方法的出现, 对喷丸过程的模拟提出了更加迫切的要求。 喷丸过程解析成为弹性力学、结构力学和计算固体力学各个分支学科交叉研究的热点课题, 同时还吸引了 不少数学家的注意。

5 研究展望

喷丸是*项具有无限发展前途和广阔应用空间的表面加工技术。 较近几年喷丸领域出现了 微粒冲击、 微粒镶嵌镀膜、 高能和 超声喷丸等新技术。 研究表明, 它们在增加表面光洁性、降低摩擦系数、 提高耐磨能力、 延长使用寿命、 简化氮化过程等方面表现出优异的特性。 随着计算机技术的发展, 利用更加微细的喷丸粒子可实现开孔、 开槽、刻蚀等高精度和立体式的微细加工。 今天, 喷丸处理技术不断突破限制于机械行业的 应用范围, 在医学抗菌、 生物材料处理、固体润滑、光催化等领域也显示出良好的应用前景。 然而, 目 前对喷丸处理的研究较多地集中于个案工艺, 以经验方法为主, 缺乏对其过程和效果的系统理论分析和科学指导。 当前应加强喷丸材料力学性能的实验研究工作, 系统地研究喷丸参数与残余应力场的关系, 鼓励制造工程师与材料学家、力学家紧密合作, 在性能实验的基础上, 利用现代力学本构理论, 提出能够直接服务于工艺参数确定的理论模型, 在此基础上给出工程计算方法, 以开拓喷丸技术新的应用领域。本文由抛丸机生产厂家整理

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