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，通過高速運動的丸粒持續沖擊工件表面，可使工件表面產生塑性變形，引入加工硬化、細晶強化，同時在工件表面形成一定深度的殘余壓應力層。噴丸強化能夠有效提高工件的抗磨損性、抗疲勞性和抗腐蝕性。噴丸與噴砂的機理類似，都是以壓縮空氣作為動力，只是選擇的介質不同，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化工件表面，其清理效果相對較差。

 噴丸示意圖

上大鑫侖噴丸設備

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

噴丸強度和覆蓋率 

目前主要通過噴丸強度和覆蓋率兩個參數來表征噴丸的效果，一般依據目標噴丸強度和覆蓋率來制定噴丸工藝。

1、噴丸強度：指的是噴丸時間延長一倍時，阿爾門試片弧高值增量為10%的點。噴丸強度曲線如下圖所示，隨著噴丸時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，噴丸強度為“飽和曲線”上的一個特殊點，即噴丸時間延長一倍，弧高值的增量不超過10%。

噴丸強度飽和曲線

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”，即認為其覆蓋率為100%。當所需覆蓋率大于100%，可以通過延長噴丸時間來獲得。比如要求覆蓋率為200%時則需將達到100%覆蓋率所需的時間延長一倍。工件的材料，幾何形狀都會對覆蓋率產生影響。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。

噴丸強化機制 

噴丸強化機制主要有兩方面：

1、應力強化機制：噴丸過程中，工件表面在丸粒的沖擊下產生塑性變形，使材料向四周延伸，延伸的部分會受到周圍組織的束縛形成一定的殘余壓應力，當丸粒沖擊AB中心部位的材料時，材料會向四周產生膨脹，而周圍的材料會產生壓應力抑制其膨脹，而在CD位置的材料會產生一個輕微拉延的過程，進而產生一個與壓應力平衡的拉應力。

噴丸受力模型

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

典型噴丸殘余應力分布

下圖為噴丸前后H13鋼熱疲勞性能對比，由圖可見經噴丸處理試樣的疲勞裂紋明顯更加細小。

噴丸前后熱疲勞性能對比

2、組織強化機制：噴丸能夠使工件表面產生塑性變形，提高工件表面的位錯密度，產生加工硬化，還可以誘發奧氏體轉變為馬氏體。當噴丸達到一定程度時，可以使工件表面的晶粒細化，產生細晶強化，表層細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展。對于高溫服役的工件，殘余應力通常會釋放，導致應力強化機制減弱，此時，組織強化機制是提高材料抗疲勞性能的重要因素。

噴丸的實際應用 

對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。可見未噴丸的模具出現了嚴重的磨損和變形，而噴丸后的模具僅在一些邊緣的部位出現輕微的磨損，損壞程度遠小于未噴丸的模具。

未噴丸（左）和噴丸后（右）

曲軸熱鍛模8000模次后的形貌

目前，我司開發的噴丸處理工藝已經廣泛應用于壓鑄模具上，能夠明顯提高抗熱疲勞性能。同時，通過和氧氮化進行復合處理，在提高抗熱疲勞性能的同時，還可提高抗熔損性能，進而顯著提高模具壽命。