機(jī)械零件表面冷作強(qiáng)化技術(shù)

張煥琴

摘 要：為了提高機(jī)械零件表面強(qiáng)度，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，表面強(qiáng)化處理技術(shù)在國內(nèi)外都獲得了很好的應(yīng)用。概述了機(jī)械零件表面冷作強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的意義、工藝技術(shù)分類及應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；表面強(qiáng)化；冷作強(qiáng)化

中圖分類號(hào)：U672文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.050

機(jī)械零件在工作中的失效，主要有零件表面的磨損、裂紋、蝕孔等，這些缺陷大多發(fā)生在零件的表面和近表面，或者先從表面開始，如裂紋是在零件表面產(chǎn)生，然后向內(nèi)部擴(kuò)散，最后導(dǎo)致零件斷裂，機(jī)器不能正常工作。機(jī)械零件表面強(qiáng)化技術(shù)可以提高零件表面性能，減少磨損、裂紋、蝕孔等缺陷的發(fā)生幾率，對(duì)延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命起著很重要的作用，在機(jī)械維修中獲得了很好的應(yīng)用。

零件表面強(qiáng)化技術(shù)包括冷作強(qiáng)化技術(shù)、真空熔結(jié)技術(shù)、激光表面強(qiáng)化技術(shù)等。這里我們重點(diǎn)談一談應(yīng)用比較廣泛的冷作強(qiáng)化技術(shù)。冷作強(qiáng)化是利用金屬的塑性特點(diǎn)，在一定條件下使金屬表面在外力作用下產(chǎn)生塑性變形和表層組織結(jié)構(gòu)的改變，而不破壞金屬整體形狀的加工方法，硬化層深度可達(dá)0.5～1.5 mm。常用的冷作強(qiáng)化技術(shù)有射丸、滾壓及敲擊等。

1 零件材料表面冷作強(qiáng)化技術(shù)的意義

機(jī)械設(shè)備中許多零件是在重復(fù)、交變動(dòng)載荷下工作的，它們的失效多是由于材料的“疲勞”。零件經(jīng)堆焊、電鍍等修復(fù)后，疲勞強(qiáng)度和使用壽命常有不同程度的降低。為此，對(duì)某些重要零件，在堆焊、電鍍修復(fù)后，需要進(jìn)行一次冷加工表面強(qiáng)化處理，以提高零件的疲勞強(qiáng)度。冷作強(qiáng)化可以使零件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。當(dāng)零件承受交變載荷時(shí)，只有當(dāng)載荷的拉應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力抵消后，仍超過疲勞極限時(shí)，才有可能發(fā)生斷裂，從而大大提高零件的疲勞強(qiáng)度。

2 冷作強(qiáng)化技術(shù)的分類與應(yīng)用

2.1 分類

（1）滾壓強(qiáng)化。滾壓通常用來加工軸類零件的表面，但也可以用于內(nèi)孔表面加工。它是用很硬的滾子對(duì)零件表面滾壓，使零件形成緊密的冷作硬化層，并降低零件的表面粗糙度，得到強(qiáng)化表面。滾壓加工雖能大大降低表面粗糙度，但尺寸和形狀精度的提高不明顯，特別是鋼和鑄鐵件，滾壓后表面受彈性變形恢復(fù)的影響，修正尺寸誤差和形狀誤差的能力較低。因此，滾壓加工前，零件各部精度應(yīng)符合要求。表面經(jīng)滾壓后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，減少了切削痕跡等表面缺陷，降低了應(yīng)力集中程度，疲勞強(qiáng)度一般提高10%～20%。承受較大交變應(yīng)力的軸類零件，圓角經(jīng)滾壓后，疲勞強(qiáng)度可提高60%以上。所以曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)軸、變速器軸等，常在機(jī)加工中安排圓角滾壓工序。

（2）擠壓強(qiáng)化。擠壓強(qiáng)化是利用擠刀或鋼球等擠壓工具，對(duì)工件表面施加一定力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而使表層產(chǎn)生冷硬或殘余應(yīng)力，以提高其硬度和強(qiáng)度的加工工藝。擠壓強(qiáng)化往往只用于內(nèi)孔加工，擠壓過程是通過對(duì)擠壓工具施加推力或拉力完成的。如用鋼球擠壓內(nèi)孔時(shí)，因鋼球本身不能導(dǎo)向，為獲得較高的軸線直線度的內(nèi)孔，擠壓前孔的軸線應(yīng)具有較高的直線度精度。此方法適用于淺孔的加工。擠壓過盈量大小與材料、工件孔徑和壁厚有關(guān)。過盈量太小，粗糙度和精度達(dá)不到要求；過盈量過大，表面會(huì)產(chǎn)生刮傷和拉毛。擠壓中需要潤(rùn)滑劑，鋼用機(jī)油加少量石墨，青銅用稀機(jī)油，鋁合金用肥皂即可。

（3）射丸強(qiáng)化。射丸有噴丸和拋丸兩種形式。噴丸是用400～500 kPa壓力的壓縮空氣，將小鐵丸高速噴向零件表面，使之產(chǎn)生屈服，形成殘余壓縮應(yīng)力層。拋丸是用旋轉(zhuǎn)的圓盤將小鐵丸拋向零件的表面。小鐵丸粒高速射向零件表面，使表面冷作硬化和產(chǎn)生殘余的壓縮應(yīng)力而提高其疲勞強(qiáng)度。

（4）敲擊強(qiáng)化。零件的花鍵槽、焊縫、圓角更適宜用敲擊強(qiáng)化。用氣鉚槍可以改裝成敲擊工具，用它敲擊機(jī)架縱梁焊縫兩側(cè)，可使焊縫疲勞強(qiáng)度提高2～4倍。敲擊次數(shù)達(dá)1600～3000次/min，敲擊能量為6～12 N·m。

（5）水流噴射強(qiáng)化。近年，國外用高速水流噴射軟鋼表面，以達(dá)到強(qiáng)化、防腐，改善疲勞強(qiáng)度的目的。其優(yōu)點(diǎn)是：噴射的覆蓋性好，能獲得均勻光滑的表面，且切削、磨削都不能再使水流噴射后的表面粗糙度降低；水流噴射引起的殘余應(yīng)力不像噴丸分布的那樣深，數(shù)值也較小；由噴水動(dòng)能轉(zhuǎn)化的能量導(dǎo)致大量蒸氣的產(chǎn)生，噴射區(qū)域的表面溫度與一般噴丸不一樣，且成本也比一般噴丸低。水流噴射強(qiáng)化系統(tǒng)采用兩臺(tái)22 kW的水泵，附有一個(gè)容量為10 m.3的蓄水池。噴射管直徑為12.7～25.4 mm，由高強(qiáng)度碳鋼焊接成，并經(jīng)3 MPa的壓力試驗(yàn)和100%X射線檢查合格方可使用。水必須經(jīng)過凈化處理，所有儀表，如壓力表、流量計(jì)、安全閥等都必須具有抗沖擊波的能力，還必須采用可排除由噴射所產(chǎn)生的蒸氣及噪聲的措施。噴射水流的流速為90～100 m/s，噴射處理時(shí)間為5～30 min。噴射水流不要太強(qiáng)，否則會(huì)切割金屬表面。

2.2 表面冷作強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

為了提高機(jī)械零件的使用壽命，國內(nèi)外都在努力應(yīng)用表面強(qiáng)化處理技術(shù)，尤其用于修復(fù)失效機(jī)械零件更有著特殊的意義。表面冷作強(qiáng)化技術(shù)已廣泛用于齒輪、彈簧、鏈條、葉片、車軸等機(jī)械零件。特別適用于有缺口的零件，及零件的截面變化處、圓角、溝槽及焊縫等部位的強(qiáng)化。如彈簧經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，可以消除熱軋和熱處理時(shí)在邊楞上留下的缺陷和脫碳影響，疲勞強(qiáng)度將顯著提高。小直徑彈丸噴丸后表面壓應(yīng)力較高，壓應(yīng)力層較淺，且壓應(yīng)力值隨深度下降很快。對(duì)于表面有凹坑、凸臺(tái)、劃痕等缺陷或表面脫碳的工件，通常選用較大的彈丸，以獲得較深的壓應(yīng)力層，使表面缺陷造成的應(yīng)力集中減小到最低程度。