机械零件表面冷作强化技术

张焕琴

摘 要：为了提高机械零件表面强度，延长机械设备使用寿命，表面强化处理技术在国内外都获得了很好的应用。概述了机械零件表面冷作强化技术应用的意义、工艺技术分类及应用等。

关键词：机械零件；表面强化；冷作强化

中图分类号：U672文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.050

机械零件在工作中的失效，主要有零件表面的磨损、裂纹、蚀孔等，这些缺陷大多发生在零件的表面和近表面，或者先从表面开始，如裂纹是在零件表面产生，然后向内部扩散，最后导致零件断裂，机器不能正常工作。机械零件表面强化技术可以提高零件表面性能，减少磨损、裂纹、蚀孔等缺陷的发生几率，对延长机械设备的使用寿命起着很重要的作用，在机械维修中获得了很好的应用。

零件表面强化技术包括冷作强化技术、真空熔结技术、激光表面强化技术等。这里我们重点谈一谈应用比较广泛的冷作强化技术。冷作强化是利用金属的塑性特点，在一定条件下使金属表面在外力作用下产生塑性变形和表层组织结构的改变，而不破坏金属整体形状的加工方法，硬化层深度可达0.5～1.5 mm。常用的冷作强化技术有射丸、滚压及敲击等。

1 零件材料表面冷作强化技术的意义

机械设备中许多零件是在重复、交变动载荷下工作的，它们的失效多是由于材料的“疲劳”。零件经堆焊、电镀等修复后，疲劳强度和使用寿命常有不同程度的降低。为此，对某些重要零件，在堆焊、电镀修复后，需要进行一次冷加工表面强化处理，以提高零件的疲劳强度。冷作强化可以使零件表层产生残余压应力。当零件承受交变载荷时，只有当载荷的拉应力与残余压应力抵消后，仍超过疲劳极限时，才有可能发生断裂，从而大大提高零件的疲劳强度。

2 冷作强化技术的分类与应用

2.1 分类

（1）滚压强化。滚压通常用来加工轴类零件的表面，但也可以用于内孔表面加工。它是用很硬的滚子对零件表面滚压，使零件形成紧密的冷作硬化层，并降低零件的表面粗糙度，得到强化表面。滚压加工虽能大大降低表面粗糙度，但尺寸和形状精度的提高不明显，特别是钢和铸铁件，滚压后表面受弹性变形恢复的影响，修正尺寸误差和形状误差的能力较低。因此，滚压加工前，零件各部精度应符合要求。表面经滚压后产生残余压应力，减少了切削痕迹等表面缺陷，降低了应力集中程度，疲劳强度一般提高10%～20%。承受较大交变应力的轴类零件，圆角经滚压后，疲劳强度可提高60%以上。所以曲轴、转向节轴、变速器轴等，常在机加工中安排圆角滚压工序。

（2）挤压强化。挤压强化是利用挤刀或钢球等挤压工具，对工件表面施加一定力，使其产生塑性变形，从而使表层产生冷硬或残余应力，以提高其硬度和强度的加工工艺。挤压强化往往只用于内孔加工，挤压过程是通过对挤压工具施加推力或拉力完成的。如用钢球挤压内孔时，因钢球本身不能导向，为获得较高的轴线直线度的内孔，挤压前孔的轴线应具有较高的直线度精度。此方法适用于浅孔的加工。挤压过盈量大小与材料、工件孔径和壁厚有关。过盈量太小，粗糙度和精度达不到要求；过盈量过大，表面会产生刮伤和拉毛。挤压中需要润滑剂，钢用机油加少量石墨，青铜用稀机油，铝合金用肥皂即可。

（3）射丸强化。射丸有喷丸和抛丸两种形式。喷丸是用400～500 kPa压力的压缩空气，将小铁丸高速喷向零件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。抛丸是用旋转的圆盘将小铁丸抛向零件的表面。小铁丸粒高速射向零件表面，使表面冷作硬化和产生残余的压缩应力而提高其疲勞强度。

（4）敲击强化。零件的花键槽、焊缝、圆角更适宜用敲击强化。用气铆枪可以改装成敲击工具，用它敲击机架纵梁焊缝两侧，可使焊缝疲劳强度提高2～4倍。敲击次数达1600～3000次/min，敲击能量为6～12 N·m。

（5）水流喷射强化。近年，国外用高速水流喷射软钢表面，以达到强化、防腐，改善疲劳强度的目的。其优点是：喷射的覆盖性好，能获得均匀光滑的表面，且切削、磨削都不能再使水流喷射后的表面粗糙度降低；水流喷射引起的残余应力不像喷丸分布的那样深，数值也较小；由喷水动能转化的能量导致大量蒸气的产生，喷射区域的表面温度与一般喷丸不一样，且成本也比一般喷丸低。水流喷射强化系统采用两台22 kW的水泵，附有一个容量为10 m.3的蓄水池。喷射管直径为12.7～25.4 mm，由高强度碳钢焊接成，并经3 MPa的压力试验和100%X射线检查合格方可使用。水必须经过净化处理，所有仪表，如压力表、流量计、安全阀等都必须具有抗冲击波的能力，还必须采用可排除由喷射所产生的蒸气及噪声的措施。喷射水流的流速为90～100 m/s，喷射处理时间为5～30 min。喷射水流不要太强，否则会切割金属表面。

2.2 表面冷作强化技术的应用

为了提高机械零件的使用寿命，国内外都在努力应用表面强化处理技术，尤其用于修复失效机械零件更有着特殊的意义。表面冷作强化技术已广泛用于齿轮、弹簧、链条、叶片、车轴等机械零件。特别适用于有缺口的零件，及零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝等部位的强化。如弹簧经喷丸强化后，可以消除热轧和热处理时在边楞上留下的缺陷和脱碳影响，疲劳强度将显著提高。小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且压应力值随深度下降很快。对于表面有凹坑、凸台、划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。