本文将对?316L?不锈钢进行喷丸强化处理,分析喷 丸时间、弹丸直径、振动频率对喷丸强化后材料表面的 三维形貌、粗糙度、硬度及摩擦磨损性能的影响。

1 试验材料及方法

1. 1?试验材料
试验用材料为?316L?不锈钢,其名义化学成分(质量分数,%)如表?1?所示。?试件为直径?φ95 mm,厚度3mm?的圆盘。?试验所用弹丸为含锆量?95% (?质量分数,下同)?的高纯氧化锆珠,化学成分为:94. 8% ZrO2，5 ±0.2%Y2O3,弹丸直径分别为?φ1.0 mm?和?φ2.4 mm。?氧化锆珠球体圆整度好,表面光滑,有极好的韧性、耐 冲击性,在高速运转中不碎裂。?锆珠的耐磨性是玻璃 珠的?30 ~ 50?倍,有极高的研磨效率。

1. 2 试验方法 为了研究弹丸直径对材料表面摩擦性能的影响,

本文选用直径为 φ1. 0 mm 和 φ2. 4 mm 的弹丸进行喷 丸试验;为了研究喷丸时间对材料表面摩擦性能的影 响,在弹丸直径相同、振动频率相同的条件下,喷射时 间分别选为 15、20、25 和 30 min;为了研究振动频率对 摩擦性能的影响,在弹丸直径相同、喷射时间相同的条 件下,振动频率分别选为 35、40、45 和 50 Hz。

试验前先对试件进行车削机械抛光处理,之后用酒精清洗试件表面和弹丸。 采用 SNC-1 型金属材料 表面纳米化试验机进行喷丸强化试验,然后用超声振 荡器去除样品表面油污。 采用 LSM700 激光共聚焦显 微镜观察试件表面的三维形貌,并测量各种喷丸条件 下试件表面的粗糙度;采用 HR-150DT 洛氏硬度计测 量试件表面的洛氏硬度;采用 CFT-1 型材料表面性能 综合测试仪测试试件的摩擦因数,载荷为 50 N,加载 时间为 10 min;采用 QUNNTA FEG650 扫描电子显微 镜观察磨痕的表面磨损形貌。

2?试验结果与讨论

2. 1?喷丸强化后材料表面形貌

图?1( a1?) 、( a2?)?表示车削机械抛光后原始表面光学图和三维形貌图。?可以看出,表面有较多的栅状凹陷,表面粗糙度?Ra?= 10. 64 μm,洛氏硬度为?33 HRC。?a图?1(b1?)、(b2?)表示采用弹丸直径为?φ1. 0 mm,振动频 率为?50 Hz,喷丸时间?30 min?进行喷丸强化处理后试 件表面光学图和三维形貌图。?可以看出,表面出现明显的犁沟,说明弹丸尺寸较小时,喷丸表面以犁沟和塑 性变形为主。?表面粗糙度?Ra?= 8. 43 μm,洛氏硬度为40. 86 HRC,与喷丸前经车削机械抛光样品相比,粗糙度明显减小,硬度明显提高。 图 1(c1 )、(c2 )表示采用弹丸直径为 φ2. 4 mm,振动频率 50 Hz,喷丸时间 30 min进行喷丸强化处理后试件表面光学图和三维形貌图。

可以看出,表面没有出现明显的犁沟,说明弹丸尺寸较大时,喷丸表面以塑性变形为主。?表面粗糙度?Ra?=?6.97 μm,洛氏硬度为44.26HRC,与弹丸尺寸为1.0mm?时相比,粗糙度减小,硬度增加。?这是由于经过车削机 械抛光后,试件表面较粗糙,粗糙的表面经过喷丸强化 处理后硬度提高,使得弹丸撞击表面产生的凹坑尺寸 减小,因而其表面粗糙度降低?。?而且对于表面较粗 糙的试件,弹丸尺寸大时喷丸强化效果更明显,硬度更 高,粗糙度更低。

2. 2?喷丸强化后材料表面硬度及粗糙度

图?2?表示弹丸直径分别为?φ1. 0 mm?和?φ2. 4 mm,振动频率为?50 Hz,喷丸强化时间分别为?15、20、30 min?时材料表面硬度分布。?可以看出,喷丸强化后材料表 面硬度提高,喷丸时间为?15 min?时,材料表面硬度和 未喷丸时材料表面硬度相差不大,随着喷丸时间的增 加,材料表面硬度增加;弹丸直径为?φ2. 4 mm?时喷丸 后材料表面硬度大于弹丸直径为?φ1. 0 mm?时喷丸后 材料表面硬度,且时间越长二者差别越大,当喷丸时间 增加到?30 min?时,弹丸直径为?φ1. 0 mm?时材料表面硬 度是未喷丸材料表面硬度的约?1. 24?倍;弹丸直径增加 为?φ2. 4 mm?时,材料表面硬度是未喷丸材料表面硬度 的约?1. 34?倍。?喷丸时间越短,弹丸直径对喷丸强化材 料表面硬度影响越小。

图3(a)表示振动频率为?50 Hz,弹丸直径为φ1.0 mm?和?φ2. 4 mm,喷丸时间分别为?15、20、25、30 min?时材料表面粗糙度,图?3(b)表示喷丸时间为15 min,弹丸直径为?φ1. 0 mm?和?φ2. 4 mm,振动频率 分别为?35、40、45、50 Hz?时材料表面粗糙度。?可以看 出:1弹丸直径对喷丸强化后材料表面粗糙度影响较 大,对于表面为机械抛光的试件,弹丸直径越大,喷丸 强化后材料表面粗糙度越小;2随喷丸时间的增加,材 料表面粗糙度逐渐减小,当喷丸时间达到?30 min?时,?表面粗糙度明显减小;3振动频率小于?50 Hz?时,表面 粗糙度变化不大,当振动频率达到?50 Hz?时,表面粗糙 度明显减小。

2. 3?喷丸强化材料在干摩擦下的摩擦磨损性能

?图4(a)表示弹丸直径为φ1.0 mm,振动频率为?50 Hz,喷丸时间分别为?15、20、25、30 min?时材料表面 摩擦因数。?可以看出,喷丸时间小于?30 min?时,对材 料表面摩擦因数影响不大,当喷丸时间达到?30 min?时,材料表面摩擦因数有所减小。?喷丸后的摩擦因数 均小于未喷丸表面的摩擦因数,说明,当未喷丸表面较 粗糙时,喷丸强化可以降低材料表面摩擦因数,增加材 料的耐磨性。?图?4(b)表示弹丸直径为?φ1. 0 mm,喷丸 时间为?15 min,振动频率分别为?35、40、45、50 Hz?时材 料表面摩擦因数。?可以看出,振动频率对材料表面摩 擦因数影响相对较小,在摩擦时间为?30 s?时,不同频 率下喷丸处理后材料表面摩擦因数约为?0. 33,未喷丸 材料表面摩擦因数约为?0. 43,当摩擦时间增加到3 min 时,喷丸处理后摩擦因数与未喷丸时的摩擦因 数均增加到 0. 5,说明此时纳米层被磨破到达基体层。

图4(c)表示弹丸直径为φ2.4mm,振动频率为?50 Hz,喷丸时间分别为?15、20、25、30 min?时材料表面 摩擦因数。?可以看出,与图?4(a)相比,喷丸时间对摩 擦因数影响较大,且喷丸时间越长,摩擦因数越低,当 喷丸时间增加到?30 min?时,摩擦因数明显降低。?图?4(d)?表示弹丸直径为?φ2. 4 mm,喷丸时间为?15 min,?振动频率分别为?35、40、45、50 Hz?时材料表面摩擦因数。?可以看出,与图?4(b)相比喷丸频率对摩擦因数影响较 大,频率为?35 Hz?时,材料表面摩擦因数与未喷丸相比较接近,振动频率增加到 50 Hz 时,摩擦因数明显减 小。 说明随弹丸直径的增大,喷丸时间和振动频率对 材料表面摩擦因数的影响增加。 弹丸直径为 φ2. 4 mm 时纳米层厚度大于相同喷丸条件下弹丸直径为 φ1. 0 mm 时纳米层厚度,从而摩擦因数减小,耐磨性提高。

2. 4?喷丸强化?316L?不锈钢在干摩擦下的磨损机制?

图?5?为不同喷丸条件下喷丸强化样品与未喷丸样 品经干摩擦试验后表面磨损形貌。?可以看出,在干摩 擦条件下,喷丸样品和未喷丸样品的主要磨损机制均 为磨粒磨损,样品表面出现许多白色的磨屑和部分脱 落片层物。?图?5(a)为未喷丸样品表面磨损形貌图,可以看出,脱落片层物分层较多,且出现较大块的磨屑; 图 5(b)为弹丸直径 φ2. 4 mm,喷丸时间为 15 min,频 率为 35 Hz 时喷丸样品表面磨损形貌图,与未喷丸相 比,片层物分层相对减少,但仍有大块磨屑脱落,与未 喷丸处理的磨损表面接近。 这是由于载荷较大,表面 纳米化处理的试样表面层经受了严重的接触应力及摩 擦温度作用,其组织结构可能发生变化,另外,纳米表 层可能已经被部分磨穿,因而材料的耐磨性降低。 图 5(c)为弹丸直径 φ2. 4 mm,喷丸时间 15 min,频率 为 50 Hz 时喷丸样品表面磨损形貌图,可以看出,磨屑 数量明显减少,且磨屑尺寸均匀,无大块磨屑出现,脱 落片层物减少,出现细且浅的犁沟;图 5(d)为弹丸直 径 φ2. 4 mm,喷丸时间 30 min,振动频率 50 Hz 时喷丸 样品表面磨损形貌图,可以看出,磨屑为均匀的小颗 粒,脱落片层物减少,无明显的犁沟。 表面磨粒减小的 主要原因是喷丸强化后在材料表面形成高强度和高硬 度的纳米晶层,由于纳米层微粒尺寸减小,所以磨损过 程中产生的磨屑尺寸减小,没有整块的脱落,从而增加 了材料的耐磨性。

3 结论
1) 对于机械抛光表面,弹丸直径为 φ1. 0 mm 时,喷丸表面以犁沟和塑性变形为主,弹丸直径为 φ2. 4 mm 时,喷丸表面以塑性变形为主。

2) 喷丸强化后材料表面硬度提高,随着喷丸时间 的增加,材料表面硬度增加;弹丸直径为 φ2. 4 mm 时 喷丸后材料表面硬度大于弹丸直径为 φ1. 0 mm 时喷 丸后材料表面硬度,且喷丸时间越长二者差别越大。

3) 对于表面为机械抛光的试件,弹丸直径越大,喷 丸强化后材料表面粗糙度越小,当喷丸时间达到 30 min, 或振动频率达到 50 Hz 时,表面粗糙度明显减小。

4)?弹丸直径较小时,喷丸时间和振动频率对摩擦因 数影响较小;弹丸直径较大时,喷丸时间和振动频率对摩 擦因数的影响较大。?经过喷丸强化处理后,材料表面摩 擦因数均小于未喷丸样品的摩擦因数。?随着喷丸时间和 振动频率的增大,磨痕处磨粒尺寸减小且更均匀。

江苏喷丸强化实验工作室，喷丸机、喷丸强化设备制造厂家，提供专业的喷丸实验服务，批量喷丸代工服务，喷丸设备制造服务。

喷丸表面纳米化工艺的研究分析实验

喷丸纳米化：各种工件、材料表面喷丸纳米化改性实验代做、喷丸结果检测，改性结果分析，（材质包括钢材、钛合金、铝合金、贵重金属、电极、核工业、船舶、航天、矿业、航空部件、特种材质改性等）

喷丸表面粗糙度和工件表面改性的关系分析实验

喷丸表面粗糙度改变：对各种材质的工件喷丸处理，改变表面粗糙度，验证工件在不同喷丸表面粗糙度下，性能的改变，比如耐磨损、导电性、硬度、涂装效果等一系列参数，验证喷丸处理的可行性，同时分析不同喷丸粗糙度下，工件表面残余应力参数，选择合适的喷丸工艺参数

喷丸表面改性后耐磨、硬度、晶体结构等性能变化实验

喷丸表面改性：喷丸后工件表面性能的变化分析，比如耐磨、硬度、晶体结构、导电、抗氧化、耐高温、韧性、抗盐雾试验等性能变化实验，寻找合适的喷丸处理方案，达到需要的喷丸改性效果，在产品批量生产前，找到合适的表面改性处置发难和工艺技术

喷丸成形工艺分析实验

喷丸成形工艺分析实验：喷丸成形工艺是一种特殊的成形加工过程，其在航空航天工业使用广泛，目前常用的有机械喷丸成形、激光喷丸成形、超声波喷丸成形、旋转拍击喷丸工艺，本实验室可为各种材料喷丸成形工艺和可行性做分析

喷丸工艺有限元分析试验

喷丸有限元分析：在喷丸加工前，通过有限元分析软件，对工件进行模拟网格化，设置喷丸参数，通过有限元分析得出喷丸结果，然后不断调试，得到想要的喷丸参数，避免了很多不必要的喷丸试验，提高效率

其他喷丸工艺技术和喷丸试验服务

检测装备  

我司独立喷丸实验室装备有专业的喷丸强化分析设备，拥有如下装备：

1 硬度检测仪

2 电子显微镜

3 粗超度检测仪

4 丸料检验装备

5 喷丸强度检测装备

6 覆盖率检测装备

残余压应力检测 （第三方外协）

我司的残余压应力检测由我司合作伙伴加拿大PROTO位于上海的检测中心负责。

该检测中心拥有多台X射线衍射仪，可以提供权威的残余压应力检测服务。

该检测中心可以提供额外的工艺开发分析服务。

喷丸工艺和实验检测报告出具

bevictor伟德体育官网将在高度保密，严谨、细致的工作环境下，对喷丸工艺、检测结果出具认证报告，保护客户工艺技术专利，保证客户课题论文的安全保密，尊重客户科研研究成果；

同时保证喷丸工艺的严密、可靠、稳定、对可再现性、平行试验、重复实验等科研实验结果的延伸，提供技术理论支持。

因为专业，所以信耐！bevictor伟德体育官网始终以客户需求为向导，打造高端、全面的喷丸工艺技术服务平台。

1 实验材料及方法

实验材料为退火态 45 钢， 尺寸为 100mm× 100mm×15mm。 采用增压喷丸对 45 钢表面进行 纳米化处理，喷丸前用丙酮和酒精清洗。所用设备为 1010FK 型增压喷丸实验机，弹丸为 准1mm 的不锈 钢丸，喷丸压力为 0.6 MPa，喷丸时间为 25min。

采用 MVK-H3 型显微硬度计测量喷丸前后 的硬度，加载砝码 50g，加载时间 15s。 用 SEM 对 横截面进行形貌分析， 观察变形层厚度。 在 XD-2X 型射线衍射仪上对喷丸前后的样品进行 结构参量的表征， 根据 Scherrer-Wilson 方程[5-6]， 近似计算出平均晶粒尺寸， 再利用 H800 型透射 电镜(TEM)进一步证实。

摩擦磨损实验所用设备为 MPx-2000 型盘- 销式摩擦磨损试验机， 主轴转速 345 r/min， 载荷 10N，10# 机油润滑，在室温条件下进行。 摩擦副为 退火态 45 钢。 进行磨损实验前用酒精清洗试样， 利用失重法比较原始样品与喷丸后样品的磨损 量， 并结合扫描电镜进行形貌观察并分析其摩擦 磨损机制。 磨损质量损失用精度为 0.1mg 的 ANDHR-200 型电子天平称测量。

2 实验结果与分析

2.1 表层结构

图 1 为喷丸处理后， 在 SEM 下观察到的横截面组织。 可见，45 钢表层发生严重的塑性变形， 形成了流变组织并沿厚度方向由表及里逐渐减弱到无变形区。其微观机理是:表层流变组织的形成 与 45 钢的较高层错能有关，高层错能金属以位错 运动为主。在多方载荷的重复作用下，随着应变的 不断增加，位错通过滑移、积累、交互作用、湮灭和 重排等形成位错墙和位错缠结;随着应变的增加， 为了降低系统能量， 位错墙和位错缠结发展成亚 晶界;应变量继续增加，则更多的位错在亚晶界处 产生和湮灭，使得晶界两侧取向差不断增大，晶粒 取向也趋于随机分布;随着应变的进一步增加，碎 化亚晶或晶粒内部也会产生位错墙和位错缠结， 进一步碎化， 当位错产生和湮灭的速率达到平衡 时，应变的增加将不再导致晶粒尺寸的继续下降， 晶粒尺寸也相应达到了稳定值。 所以只有应变 增加到一定程度，才能获得纳米晶组织。 最表面的 严重变形层组织结构发生了明显的细化， 组织形态 也与基体明显不同，见图 1。 通过 SEM 已经不能分 辨出原铁素体和珠光体组织及其晶粒的边界。

表面硬度随距表面距离的变化见图 2。 可以 看出，与基体硬度相比，表面硬度提高了 2 倍。 硬 度的变化规律:由纳米晶层到亚微晶层，硬度逐渐 减小，并逐渐趋于稳定，这与横截面塑性变形规律 基本吻合。 硬度的提高是由于在外加载荷的往复 作用下， 材料表层发生强烈的塑性变形所引起的 晶粒细化及在材料内部引入微观应变的缘故。

图 3 为 45 钢喷丸前后几个晶面的 X 衍射图 谱(步进扫描)。 可以看出，喷丸处理后样品表面的 X 射线衍射线形发生了明显宽化。 一般认为 Bragg 衍射峰宽化是晶粒细化、 微观应变增加和 仪器宽化三方面作用的结果。 扣除衍射背底并经 仪器宽化修正后， 利用物理宽化峰的积分宽度 (β)，根据 Scherrer-Wilson 方程可近似计算出样品 表层的平均晶粒尺寸约为 65nm。 利用 XRD 测量 的晶粒尺寸反映的是 X 射线穿透深度内的平均 晶粒尺寸(穿透深度为 5~10μm)，且其准确度随 衍射线宽化程度的降低而降低。 因此表面层的晶 粒尺寸及其随深度的变化还需要用 TEM 进行进 一步的分析和证实。

从 TEM 暗场像(图 4)可以看出，表层组织转 变为等轴状纳米晶， 而且其相应选区的电子衍射花环(图 5)表明，纳米晶的取向呈随机分布，进一步证实了 XRD 的结果。

2.2 耐磨性

图 6 为 45 钢表面喷丸前后的表面磨损质量损失随时间的变化。可看出，磨损质量损失均随磨损时间的延长而增大，但在开始阶段(1h 之前)原始样品的磨损速率明显大于喷丸纳米化的样品。

原始样品的磨损速率在 1h 后基本稳定， 而纳米化后的样品在 2h 之后逐渐趋向稳定。 原始样品在开始时磨损速率高可能受表面粗糙度的影响，随时间的延长磨损系数趋于稳定， 磨损速率也就趋于稳定。 从图中还可看出，随磨损时间的延长，表面纳米化后样品的磨损质量损失明显低于原始 样品，说明在低载荷和润滑条件下，表面纳米化提 高了样品的耐磨性能。

图 7 是原始样品和纳米化样品在润滑条件下 摩擦 5h 后的表面形貌。 可看出，原始样品表面的 磨损痕迹比较明显，有磨损脱落的痕迹，出现较大 的犁沟和凹坑;纳米化的样品表面虽有磨损痕迹， 但犁沟明显少而窄，凹坑少而小。因为纳米表面具 有较高的硬度和表面活性，在润滑条件下，好的表 面活性能够更好地吸附润滑油形成油膜。 在低载 荷下，油膜可以很好地保持，因此纳米化之后磨损 表面质量明显优于原始样品。

3结论

(1) 采用增压喷丸方式可使 45 钢表面获得约 30μm厚的纳米晶层，表面硬度比基体提高 2 倍。

(2)?纳米化之后由于表面硬度高，在载荷10N、?10#?机油润滑的条件下，表现出良好的耐磨性能。

喷丸设备制造，喷丸工艺技术服务，喷丸纳米化、喷丸改性技术服务商，为您提供优质可靠的喷丸改性服务。

微粒子喷丸表面处理技术

微粒子喷丸处理是利用尺寸为40～100微米的高硬度微粒, 以超过200m/s的超高速喷射到需要处理的工件表面，一般保持200-350m/s。形成类似普通喷丸强化和抛丸强化的表面处理工艺，能够有效地提高工件表面抗疲劳寿命，微粒子喷丸表面处理比喷丸和抛丸强化更加能够更加提高金属零件的耐疲劳强度。而且被通过粒子喷丸表面处理过的金属外表面粗糙度并不会变大,相反会形成非常细小的凹坑层均匀分布，如果凹坑位置能够浸润润滑油，并保持，那么就会极大提高工件表面持续高效的润滑性能；

同时微粒子表面WPC喷丸处理，具有一定的热喷涂效果，可以有效修复部件表面裂痕等、增强金属部件表面耐磨损性能、以及金属表面硬度。

微粒子喷丸表面处理适用范围

微粒子喷丸处理若是对金属的话，几乎可对所有金属进行处理。例如，钢质齿轮、铝质活塞及铝合金、燃烧结合金属的机油泵、延性铸铁的曲轴、金属泡沫、铅的合金、及钛合金等等。再有，可对硬质铬、TIN等的镀金及氮化、渗碳等表面处理上进行处理。另外，在镀金等处理之前进行微粒子喷丸表面处理，密着性会变得更好。过微粒子喷丸表面处理，零件不会发生歪斜和尺寸变化。虽然不能说尺寸完全没有变化，但是只敲击表面其变化顶多1～2微米。即使是发动机结构零件等及精密零件也可以放心地进行微粒子喷丸表面处理。

微粒子喷丸处理效果

• 1：在金属表面形成柔性硬化层提高耐磨性，通过组织的细微化提高韧性。
• 2：形成细微的凹陷积油层，达到降低摩擦系数提高润滑性的效果。 
• 3：提高提高表面残余负应力延长金属疲劳寿命；
• 4：增强耐磨损、耐切屑性能、减少切屑阻力；
• 5：使金属部件具有防止应力腐蚀、晶间腐蚀、电蚀等效果。
• 6：通过降低摩擦系数以及提高表面光滑性降低工作噪音。
• 7：修补金属表面微细裂缝，消除金属表面应力集中源，降低金属开裂风险。
• 8：增强工件耐冲击性能，抗冲击能力
• 9：增强金属表面与各种表层的附着性能
• 10：防止金属部件低温脆性

微粒子喷丸应用效果

专业微粒子喷丸处理、WPC精密喷丸处理服务公司，为您提供更好的喷丸解决方案和微粒子喷丸代工服务，欢迎来电咨询或者到厂参观考察！