噴丸強(qiáng)化是一種受控噴丸技術(shù)，不同于噴丸清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機(jī)械加工毛刺為目的。齒輪表面的噴丸強(qiáng)化主要是借助于高速運(yùn)動的彈丸沖擊零件的表面，使其發(fā)生彈性塑性變形，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、加工硬化和組織細(xì)化等有利的變化，以提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。
一、噴丸強(qiáng)化機(jī)理及其作用
1.噴丸強(qiáng)化處理能改善零件表層的應(yīng)力分布
噴丸后的殘余應(yīng)力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬組織相變，其中以不均勻的塑性變形為主。噴丸后，金屬表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加，而且還出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。如圖1所示。經(jīng)噴丸處理后的齒輪表層殘留奧氏體有一部分將變成馬氏體，因相變時體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而使得表層殘留奧氏體場向著更大的壓應(yīng)力方向變化，因而提高了齒輪的疲勞強(qiáng)度。通過噴丸強(qiáng)化，又能消除熱處理應(yīng)力，去除表面氧化皮，改善零件的缺口敏感性，并把容易發(fā)生零件失效的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，有效地限制裂紋源的產(chǎn)生和擴(kuò)展，較大幅度提高零件的疲勞壽命。
2.噴丸強(qiáng)化可使工件表面形成高的壓應(yīng)力層
由于噴丸強(qiáng)化提高了表面壓應(yīng)力而顯著改善其疲勞性能，對于承受高周波疲勞載荷的工件更為有效。噴丸強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力可抵消部分外加載荷。噴丸時小尺寸球形鋼丸擊打工件表面而形成壓應(yīng)力，每一彈丸的沖擊都會使金屬產(chǎn)生一定的塑性變形，最終表面不能完全回復(fù)而形成了永久的壓應(yīng)力狀態(tài)。作為一種表面強(qiáng)化工藝，噴丸能在表面形成殘余壓應(yīng)力相當(dāng)于材料抗拉強(qiáng)度極限的55%~60%，而工件表面恰是容易萌生裂紋的地方。對于滲碳淬火齒輪，所形成的壓應(yīng)力可達(dá)1177~1725MPa，可大大改善疲勞性能。壓應(yīng)力層深度是噴丸強(qiáng)度（或噴丸能量）的函數(shù)，隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。
二、噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)
噴丸強(qiáng)化工藝對彈丸的形狀、尺寸和硬度等要求較高，用噴丸強(qiáng)度和表面覆蓋率來控制噴丸工藝，用殘余應(yīng)力和疲勞試驗來檢測表面強(qiáng)化效果。噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)包括彈丸材料、彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離、噴丸時間和覆蓋率等，其中任何一個參數(shù)的變化都會不同程度影響噴丸強(qiáng)度，即影響強(qiáng)化效果。
（1）弧高試片
標(biāo)準(zhǔn)ALMEN弧高試片是綜合評價噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的一種專用量規(guī)。它是用70號彈簧鋼制成，共有三種規(guī)格，代號分別為N、C、A，分別使用于3種不同噴丸強(qiáng)度要求的場合。
（2）弧高曲線
弧高曲線是在其它工藝參數(shù)固定情況下，同一種試片的噴丸弧高值隨噴丸時間（或噴丸次數(shù)）變化而變化的，標(biāo)志著弧高值——時間相對關(guān)系的曲線。
（3）噴丸強(qiáng)度
噴丸強(qiáng)度通常采用弧高值測定法，其要點是用一定的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強(qiáng)度后的形狀變化來反映噴丸效果，具體操作是用阿爾門Almen試片（弧高度試片，一般硬度為44~50HRC），固定在夾具上，經(jīng)投射噴丸后再取下試片，然后用檢具（如阿爾門測量儀）測量彎曲弧的高度。噴丸強(qiáng)度的另一種檢驗方法為殘余應(yīng)力檢測，即對強(qiáng)化噴丸后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測，具體的檢驗方法為X射線衍射法。
（4）表面覆蓋率
覆蓋率是指被處理工件表面經(jīng)噴丸處理后，彈丸壓痕面積與被噴工件表面積的比值。通常用百分?jǐn)?shù)表示。測量要點是把阿爾門試片經(jīng)噴丸后放大約50倍，測量其彈丸壓痕面積。因很困難保證覆蓋率為100%，故實際上把98%的覆蓋率定義為全覆蓋率。對于產(chǎn)品圖樣要求300%的覆蓋率，通常用達(dá)到98%的有效覆蓋率所需噴丸時間的三倍來實現(xiàn)。
（5）彈丸質(zhì)量
彈丸質(zhì)量對強(qiáng)化效果影響很大，一般規(guī)律是：彈丸直徑小，工件表面殘余應(yīng)力較高，但強(qiáng)化層較淺；彈丸直徑大，工件表面殘余應(yīng)力較低，但強(qiáng)化層較深；彈丸硬度高，噴丸強(qiáng)度也高；彈丸直徑增加，噴丸強(qiáng)度也增加；彈丸速度增加，噴丸強(qiáng)度、表面壓應(yīng)力和強(qiáng)化層深度三者增加。
（6）噴丸時間
在其他噴丸工藝參數(shù)不變的情況下，噴丸只有達(dá)到“飽和”時間或兩倍于“飽和”時間時可獲得最佳強(qiáng)化效果，通常強(qiáng)化時間不足比強(qiáng)化時間過度更為不利。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化時間低于規(guī)定時間內(nèi)，可以對該工件再進(jìn)行一次補(bǔ)充強(qiáng)化。
三、噴丸強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用
1.提高滲碳齒輪表面硬度
例1：一汽熱處理分廠噴丸設(shè)備采用德國產(chǎn)TR5SVR—1型應(yīng)力噴丸設(shè)備。噴丸工藝為：采用直徑為￠0.8mm鋼丸，噴丸時間9min，噴丸速度為2800r/min。齒輪材料為22CrMoH鋼，經(jīng)滲碳淬火及回火處理。噴丸強(qiáng)化處理后齒輪表層組織得到了細(xì)化，表層的殘留奧氏體含量比未經(jīng)噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右，在距離表面0.15mm范圍內(nèi)，變化量比較明顯；經(jīng)強(qiáng)化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5~2HRC。
2.提高齒輪表面殘余壓應(yīng)力并改善表層顯微組織
例2：桑塔納轎車變速器二檔從動齒輪，經(jīng)滲碳淬火、回火處理。噴丸采用葉輪式噴丸機(jī)，噴丸速度2900r/min，彈丸硬度57HRC。其噴丸試驗結(jié)果如下。
（1）噴丸件表層顯微硬度明顯提高，這是受到高的殘余壓應(yīng)力、加工硬化和組織變化（細(xì)化）綜合作用的結(jié)果，其中殘留奧氏體的顯著減少對硬度提高也做出了貢獻(xiàn)。
（2）由于噴丸使工件表層中的殘留奧氏體變?yōu)轳R氏體，可用來提高表面硬度。馬氏體針明顯較未噴丸件細(xì)小致密，起到了細(xì)化馬氏體亞結(jié)構(gòu)的作用。有利于殘余應(yīng)力的提高，從而提高了齒輪的疲勞性能。
3.提高齒輪的疲勞壽命
例3：一汽采用強(qiáng)化噴丸工藝對“解放”牌汽車變速器一擋齒輪進(jìn)行疲勞壽命試驗，顯著提高了齒輪的疲勞壽命。如表1所示。為了提高“解放”牌主動螺旋齒輪的疲勞壽命采用大圓弧滾刀切齒，增大齒輪圓角可以使主動螺旋齒輪的壽命由20.83萬次提高到69.54萬次，如果再采用強(qiáng)化噴丸，可以使其疲勞壽命提高到210.9萬次。
例4：齒輪采用碳氮共滲后噴丸硬化提高接觸疲勞強(qiáng)度。如SCM420H鋼齒輪，經(jīng)通氨氣等進(jìn)行碳氮共滲，隨著含氮量的增加，ΔHV（硬度降）提高，即抗回火性能提高，回火溫度可達(dá)300℃。解決了汽車用自動變速器AIT常規(guī)滲碳齒輪齒面接觸疲勞破壞問題。
四、噴丸強(qiáng)化新技術(shù)
1.齒輪的硬噴丸技術(shù)
（1）硬噴丸技術(shù)
硬噴丸不同于常規(guī)噴丸，而是采用700HV高硬度鋼丸進(jìn)行高強(qiáng)度噴丸，并使A型試片產(chǎn)生0.6mm以上的弧高，形成較大的殘余壓應(yīng)力，得到高的疲勞強(qiáng)度。適合于優(yōu)質(zhì)滲碳鋼（如DSG1鋼，Si含量降至0.15%以下，而使內(nèi)氧化現(xiàn)象及非馬氏體大為減少；降低晶界脆性元素P的含量＜0.015%，提高M(jìn)o含量至0.4%而使?jié)B層韌性大為改善），它在消除內(nèi)氧化等滲碳缺陷及保證滲層韌性方面效果較好。
（2）兩次噴丸（雙噴丸）技術(shù)
對于滲碳淬火硬度在600HV以上齒輪，較難通過正常噴丸達(dá)到較高壓應(yīng)力。為此采用二次噴丸硬化提高疲勞強(qiáng)度，即首先采用700HV高硬彈丸進(jìn)行高強(qiáng)度噴丸（如0.6mm鋼丸），并使A型試片產(chǎn)生0.6mm以上的弧高，獲得一定深度的表面強(qiáng)化層，然后再用細(xì)小的低強(qiáng)度小彈丸（如0.08mm鋼丸）進(jìn)行一次低強(qiáng)度噴丸，可在工件表面和次表面形成殘余壓應(yīng)力。第二次噴丸的目的就是減輕表面加工硬化，改善表面粗糙度，提高表面壓應(yīng)力，即進(jìn)一步提高齒輪的疲勞性能。此項技術(shù)屬于冷作處理。
2.硬噴丸新工藝應(yīng)用
例1：直齒輪，材料DSG1（化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.20C、＜0.15Si、0.70Mn、＜0.015P、0.015S、1.00Cr及0.40Mo）和SCM420，經(jīng)滲碳淬火、回火處理。最后采用離心式噴丸機(jī)及￠0.8mm鑄鋼丸（化學(xué)成分為0.85C—1Si—1Mn）進(jìn)行噴丸，噴丸強(qiáng)度分別為0.45mmA和0.7mmA弧高。前者屬于常規(guī)噴丸，而后者屬于硬噴丸。齒輪疲勞試驗是在電流消耗式齒輪疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行。
（1）噴丸處理參數(shù)及檢驗結(jié)果
試驗齒輪噴丸處理參數(shù)如表2所示。通過表2可以看出，硬噴丸齒輪的齒根疲勞強(qiáng)度高于常規(guī)噴丸。硬噴丸齒輪表面硬度和殘余壓應(yīng)力提高而殘留奧氏體和內(nèi)氧化程度降低。
（2）硬噴丸、小彈丸噴丸及二次噴丸的比較
經(jīng)過噴丸處理的工件，其最大殘余壓應(yīng)力值是位于表面下面約0.05mm處，而表面卻低于這個值，為解決此缺陷，采用細(xì)小彈丸（直徑＜0.1mm）進(jìn)行低強(qiáng)度噴丸處理。三種噴丸工藝參數(shù)如表3所示。
硬噴丸處理得到最高表面硬度，其次是二次噴丸和小彈丸噴丸。小彈丸噴丸使齒輪表面得到非常高的壓應(yīng)力，達(dá)到1.2GPa。而二次噴丸處理得到最高的疲勞強(qiáng)度。同滲碳淬火后齒輪相比較疲勞強(qiáng)度提高到1.5倍。滲碳狀態(tài)的齒輪留有切齒刀痕，經(jīng)過噴丸處理后全部消失，齒輪表面粗糙度得到改善。由于加工刀痕有可能成為應(yīng)力集中部位，因此噴丸處理時加工表面的改善也是提高疲勞強(qiáng)度的一個原因。
五、彈丸
1.彈丸及其質(zhì)量要求
齒輪經(jīng)過化學(xué)熱處理后，表面硬度多數(shù)已達(dá)到58~63HRC，在進(jìn)行噴丸強(qiáng)化時，應(yīng)采用高于或等于表面硬度的彈丸來進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，以保證表面的殘余壓應(yīng)力數(shù)值和表面強(qiáng)化層深度。此外，彈丸尺寸的選擇應(yīng)保證齒輪的根部得到強(qiáng)化，在進(jìn)行噴丸強(qiáng)化過程中，由于選擇的彈丸直徑過大常常導(dǎo)致小半徑的齒根部位得不到噴射強(qiáng)化。為此，應(yīng)確保彈丸直徑小于齒根半徑的一半。
由于鋼丸質(zhì)量對強(qiáng)化效果影響很大，國家標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對鋼丸的金相組織、化學(xué)成分、最小密度、硬度偏差給出嚴(yán)格的規(guī)范。
彈丸在使用過程中，不斷破損，需及時補(bǔ)充新彈丸，彈丸合格數(shù)量應(yīng)保持在80%以上，為此可選用不同規(guī)格的篩網(wǎng)加以控制，以確保噴丸強(qiáng)化效果。由于破碎的彈丸帶有尖角，容易使工件表面產(chǎn)生許多微小的尖切口，從而降低強(qiáng)化效果。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)將破碎彈丸篩選掉。
彈丸尺寸選擇原則：①當(dāng)對表面粗糙度有要求時，應(yīng)盡量采用較小鋼丸。②當(dāng)工件帶有內(nèi)、外圓角及溝槽時，彈丸直徑尺寸應(yīng)小于內(nèi)、外圓角半徑及槽的寬度。③保證彈丸球面形狀尺寸均勻。
2.鋼絲切丸
采用預(yù)鈍化鋼絲切丸技術(shù)生產(chǎn)的新一代表面清理和強(qiáng)化的優(yōu)質(zhì)丸料，不僅鋼丸硬度均勻、尺寸均勻、壽命長，而且生產(chǎn)中粉塵產(chǎn)生率低，可稱之為綠色、環(huán)保鋼丸，可應(yīng)用于齒輪噴丸強(qiáng)化處理等。
3.強(qiáng)韌性彈丸及其化學(xué)配方
（1）用于噴丸的彈丸
一般采用鑄鋼型或切線型，鑄鋼彈丸一般用水霧化方法生產(chǎn)，并調(diào)質(zhì)到392~513HV，對于硬噴丸處理，要求彈丸硬度達(dá)700HV左右。
（2）新型鋼丸
采用快冷離心霧化方法改善中碳鑄鋼枝晶鑄造組織。同時要求碳含量不低于0.5%，其Mn、S、P含量也均有降低，其化學(xué)成分如表4所示，噴丸處理時，彈丸流率為0.75kg/s，噴射速度為106m/s，噴丸后弧高為1.0mmA。作為高強(qiáng)韌性彈丸的第二選擇是高碳預(yù)處理過的高強(qiáng)度切線彈丸，尺寸范圍為￠0.8mm，為了得到700HV左右的高硬度，其碳含量增加至0.8%，其化學(xué)成分如表5所示。
六、噴（拋）丸設(shè)備
1.吊鉤式拋丸清理機(jī)
該設(shè)備采用4臺Q034型拋丸器，拋丸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。
2.MP815型吊掛式拋丸強(qiáng)化清理機(jī)
單鉤承重800kg，工件最大尺寸￠800mm（直徑）×1500mm（高），拋丸器直徑350mm，最大拋丸量2×10400kg，電機(jī)功率2×11kg，轉(zhuǎn)速2960r/min。可通過變頻調(diào)速對齒輪進(jìn)行強(qiáng)化噴丸處理。
3.齒輪用先進(jìn)的數(shù)控噴丸機(jī)
齒輪數(shù)控噴丸機(jī)是實現(xiàn)高精度強(qiáng)化的專用機(jī)械，有數(shù)控機(jī)械手噴丸機(jī)和數(shù)控機(jī)器人噴丸機(jī)。如“吉川”牌JCK型數(shù)控噴丸設(shè)備。
（1）數(shù)控噴丸機(jī)的主要構(gòu)成
由噴丸室體、噴槍運(yùn)行機(jī)構(gòu)、工件運(yùn)行機(jī)構(gòu)、彈丸回收機(jī)構(gòu)、彈丸分離機(jī)構(gòu)、噴丸機(jī)構(gòu)、除塵機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等部分組織。
（2）齒輪數(shù)控噴丸機(jī)的控制部分
主要包括：①噴槍運(yùn)動控制，通過數(shù)控機(jī)械手或機(jī)器人控制噴槍運(yùn)行，使其在噴丸過程中按指定要求執(zhí)行運(yùn)動過程。因此，要求高的定位與重復(fù)定位精度。②工件運(yùn)動控制，是指工件在噴丸過程中旋轉(zhuǎn)、位移等運(yùn)動的控制。③噴丸壓力控制，噴丸壓力的數(shù)字閉環(huán)控制，控制精度一般在±2%以內(nèi)。④彈丸流量控制，彈丸流量的數(shù)字閉環(huán)控制，控制精度一般在±5%以內(nèi)。⑤彈丸的自動回收與分離，噴丸灑落的彈丸被自動回收；回收的彈丸經(jīng)過丸粉分離、尺寸分選、形狀分選三級分選，循環(huán)使用。⑥自動噴丸，實現(xiàn)自動加丸、連續(xù)噴丸功能。⑦控制軟件，程序儲存/調(diào)用；系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視；噴丸飽和曲線自動生成；系統(tǒng)故障報警顯示；易損件工作顯示等。⑧環(huán)保，噪音指標(biāo)；粉塵排放指標(biāo)。
七、噴丸強(qiáng)化問題及解決方法
1.選擇彈丸的合理性問題
齒輪經(jīng)過化學(xué)熱處理后，表面硬度大多已達(dá)到58~63HRC，在對其進(jìn)行噴丸強(qiáng)化時，采用的彈丸大多為45~52HRC，這一方面容易導(dǎo)致齒輪噴丸區(qū)域得不到充分的強(qiáng)化，另一方面彈丸在噴射撞擊零件時，由于硬度低而易破碎或變形。對此可選擇高硬度鑄鋼丸或切絲鋼丸。
2.表面覆蓋率的檢測問題
表面覆蓋率是指零件而不是檢測噴丸強(qiáng)度用的弧高度試片（Almen試片），因此在實際生產(chǎn)中若采用弧高度試片的表面覆蓋率來對零件設(shè)計噴丸工藝，將導(dǎo)致齒輪表面覆蓋率達(dá)不到應(yīng)有的要求。弧高度試片的硬度為44~50HRC，與齒輪表面的硬度58~63HRC相比差的較多，因此齒輪噴丸達(dá)到100%的覆蓋率所需要的時間要長于弧高度試片達(dá)到100%覆蓋的時間。
3.噴丸強(qiáng)度選擇問題
（1）在實際噴丸過程中并非噴丸強(qiáng)度越高，齒輪的噴丸強(qiáng)化效果越好。這是由于：一方面是噴丸強(qiáng)度越高，沖擊力越大，彈丸的破碎率就越高；另一方面是噴丸強(qiáng)度較高時，表層組織在大的彈丸離心力作用下會遭到一定程度的損壞，其粗糙度加大，可能產(chǎn)生微小裂紋使殘余應(yīng)力有所下降。因此，選擇適合的噴丸參數(shù)最重要。噴丸強(qiáng)度過低將無法得到較大的殘余壓應(yīng)力和足夠深的表面強(qiáng)化層；噴丸強(qiáng)度太高易產(chǎn)生表面裂紋或齒輪硬化層的剝落等問題。
（2）齒輪在滲碳淬火及回火后往往因存在內(nèi)氧化軟層而在噴丸強(qiáng)化處理后易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源的起點，尤其在內(nèi)氧化嚴(yán)重情況下。對此只有采取有效控制以減少內(nèi)氧化層的方法，才能使強(qiáng)化噴丸真正提高齒輪的疲勞強(qiáng)度。
（3）噴丸強(qiáng)化只適用于滲碳或碳氮共滲后經(jīng)淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度＜40HRC及形狀復(fù)雜的工件不易采用噴丸清理。當(dāng)滲碳淬火后，表層有嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物時，噴丸處理后，表面容易出現(xiàn)微裂紋。
