鑫仑科普——喷丸处理

文章来源—上大鑫仑材料科技有限公司

什么是喷丸？

喷丸是一种常见的表面处理工艺，通过高速运动的丸粒持续冲击工件表面，可使工件表面产生塑性变形，引入加工硬化、细晶强化，同时在工件表面形成一定深度的残余压应力层。喷丸强化能够有效提高工件的抗磨损性、抗疲劳性和抗腐蚀性。喷丸与喷砂的机理类似，都是以压缩空气作为动力，只是选择的介质不同，通常来说喷丸的丸粒尺寸更大，弹丸直径在0.2~2.5mm之间。喷砂的主要目的是清理工件表面，而喷丸的主要作用是强化工件表面，其清理效果相对较差。

 喷丸示意图

上大鑫仑喷丸设备

以下是模具喷丸前后的照片，由图可见喷丸后模具表面的污物已被去除，表面更加光洁。

（a）（c）喷丸前，（b）（d）喷丸后

喷丸强度和覆盖率 

目前主要通过喷丸强度和覆盖率两个参数来表征喷丸的效果，一般依据目标喷丸强度和覆盖率来制定喷丸工艺。

1、喷丸强度：指的是喷丸时间延长一倍时，阿尔门试片弧高值增量为10%的点。喷丸强度曲线如下图所示，随着喷丸时间的延长阿尔门试片的弧高值不断增大，但其增大的幅度不断降低，喷丸强度为“饱和曲线”上的一个特殊点，即喷丸时间延长一倍，弧高值的增量不超过10%。

喷丸强度饱和曲线

2、覆盖率：指的是喷丸后工件表面弹坑面积占原始表面积的百分比。通常将覆盖率大于98%定义为“完全覆盖”，即认为其覆盖率为100%。当所需覆盖率大于100%，可以通过延长喷丸时间来获得。比如要求覆盖率为200%时则需将达到100%覆盖率所需的时间延长一倍。工件的材料，几何形状都会对覆盖率产生影响。目前覆盖率的检测方法主要有目测法、荧光法和覆盖率检测仪测定法。

喷丸强化机制 

喷丸强化机制主要有两方面：

1、应力强化机制：喷丸过程中，工件表面在丸粒的冲击下产生塑性变形，使材料向四周延伸，延伸的部分会受到周围组织的束缚形成一定的残余压应力，当丸粒冲击AB中心部位的材料时，材料会向四周产生膨胀，而周围的材料会产生压应力抑制其膨胀，而在CD位置的材料会产生一个轻微拉延的过程，进而产生一个与压应力平衡的拉应力。

喷丸受力模型

以下是典型的喷丸残余应力分布曲线，即表层存在一定的残余压应力，而在次表层存在拉应力与之平衡。喷丸产生的残余压应力能够抑制裂纹的萌生和扩展，从而提高工件的疲劳寿命。

典型喷丸残余应力分布

下图为喷丸前后H13钢热疲劳性能对比，由图可见经喷丸处理试样的疲劳裂纹明显更加细小。

喷丸前后热疲劳性能对比

2、组织强化机制：喷丸能够使工件表面产生塑性变形，提高工件表面的位错密度，产生加工硬化，还可以诱发奥氏体转变为马氏体。当喷丸达到一定程度时，可以使工件表面的晶粒细化，产生细晶强化，表层细化的晶粒能够提高裂纹萌生的门槛值，而亚表层粗大的晶粒能够抑制裂纹扩展。对于高温服役的工件，残余应力通常会释放，导致应力强化机制减弱，此时，组织强化机制是提高材料抗疲劳性能的重要因素。

喷丸的实际应用 

对比曲轴热锻模未喷丸（左）和喷丸后（右）在服役8000模次后的表面形貌。可见未喷丸的模具出现了严重的磨损和变形，而喷丸后的模具仅在一些边缘的部位出现轻微的磨损，损坏程度远小于未喷丸的模具。

未喷丸（左）和喷丸后（右）

曲轴热锻模8000模次后的形貌

目前，我司开发的喷丸处理工艺已经广泛应用于压铸模具上，能够明显提高抗热疲劳性能。同时，通过和氧氮化进行复合处理，在提高抗热疲劳性能的同时，还可提高抗熔损性能，进而显著提高模具寿命。