喷丸强化是一种受控喷丸技术，不同于喷丸清理。喷丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、锈蚀和机械加工毛刺为目的。齿轮表面的喷丸强化主要是借助于高速运动的弹丸冲击零件的表面，使其发生弹性塑性变形，从而产生残余压应力、加工硬化和组织细化等有利的变化，以提高齿轮的彎曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮使用寿命的重要途径。

一、丸強化機理及其作噴用

1.噴丸強化處理能改善零件表層的應力分布

  噴丸後的殘余應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爲主。噴丸後，金屬表面産生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加，而且還出現亞晶界和晶粒細化現象。如圖1所示。經噴丸處理後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産生壓應力，從而使得表層殘留奧氏體場向著更大的壓應力方向變化，因而提高了齒輪的疲勞強度。通過噴丸強化，又能消除熱處理應力，去除表面氧化皮，改善零件的缺口敏感性，並把容易發生零件失效的殘余應力轉變爲壓應力，有效地限制裂紋源的産生和擴展，較大幅度提高零件的疲勞壽命。

2.噴丸強化可使工件表面形成高的壓應力層

   由于喷丸强化提高了表面压应力而显著改善其疲劳性能，对于承受高周波疲劳载荷的工件更为有效。喷丸强化形成的残余压应力可抵消部分外加载荷。喷丸时小尺寸球形钢丸击打工件表面而形成压应力，每一弹丸的冲击都会使金属产生一定的塑性变形，最终表面不能完全回复而形成了永久的压应力状态。作为一种表面强化工艺，喷丸能在表面形成残余压应力相当于材料抗拉强度极限的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，所形成的壓應力可達1177~1725MPa，可大大改善疲勞性能。壓應力層深度是噴丸強度（或噴丸能量）的函數，隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。

二、噴丸強化工藝參數

  喷丸强化工艺对弹丸的形状、尺寸和硬度等要求较高，用噴丸強度和表面覆盖率来控制喷丸工艺，用殘余應力和疲劳试验来检测表面强化效果。

噴丸強化工藝參數包括彈丸材料、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，其中任何一個參數的變化都會不同程度影響噴丸強度，即影響強化效果。

（1）弧高試片

   标准ALMEN弧高試片是綜合評價噴丸強化工藝參數的一種專用量規。它是用70號彈簧鋼制成，共有三種規格，代號分別爲N、C、A，分別使用于3種不同噴丸強度要求的場合。

（2）弧高曲線

   弧高曲线是在其它工艺参数固定情况下，同一种试片的喷丸弧高值随噴丸時間（或喷丸次数）变化而变化的，标志着弧高值——時間相對關系的曲線。

（3）噴丸強度

   噴丸強度通常采用弧高值测定法，其要点是用一定的弹簧钢试片通过检测噴丸強度后的形状变化来反映喷丸效果，具体操作是用阿尔门Almen試片（弧高度試片，一般硬度爲44~50HRC），固定在夾具上，經投射噴丸後再取下試片，然後用檢具（如阿爾門測量儀）測量彎曲弧的高度。

噴丸強度的另一種檢驗方法爲殘余應力檢測，即對強化噴丸後的工件進行殘余應力的檢測，具體的檢驗方法爲X射線衍射法。

（4）表面覆蓋率

   覆盖率是指被處理工件表面经喷丸處理后，弹丸压痕面积与被喷工件表面积的比值。通常用百分数表示。测量要点是把阿尔门试片经喷丸后放大约50倍，測量其彈丸壓痕面積。因很困難保證覆蓋率爲100%，故實際上把98%的覆蓋率定義爲全覆蓋率。對于産品圖樣要求300%的覆蓋率，通常用達到98%的有效覆蓋率所需噴丸時間的三倍來實現。

（5）彈丸質量

   弹丸质量对强化效果影响很大，一般规律是：彈丸直徑小，工件表面殘余應力较高，但强化层较浅；彈丸直徑大，工件表面殘余應力较低，但强化层较深；彈丸硬度高，噴丸強度也高；彈丸直徑增加，噴丸強度也增加；弹丸速度增加，噴丸強度、表面压应力和强化层深度三者增加。

（6）噴丸時間

   在其他喷丸工艺参数不变的情况下，喷丸只有达到“飽和”時間或兩倍于“飽和”時間時可獲得好強化效果，通常強化時間不足比強化時間過度更爲不利。因此，當發現強化時間低于規定時間內，可以對該工件再進行一次補充強化。

三、噴丸強化技術的應用

1.提高滲碳齒輪表面硬度

例1：一汽熱處理分廠噴丸設備采用德國産TR5SVR—1型應力噴丸設備。噴丸工藝爲：采用直徑爲￠0.8mm鋼丸，噴丸時間9min，噴丸速度爲2800r/min。齒輪材料爲22CrMoH鋼，經滲碳淬火及回火處理。噴丸強化處理後齒輪表層組織得到了細化，表層的殘留奧氏體含量比未經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範圍內，變化量比較明顯；經強化噴丸處理後的齒輪表面硬度提高了0.5~2HRC。

2.提高齒輪表面殘余壓應力並改善表層顯微組織

例2：桑塔納轎車變速器二檔從動齒輪，經滲碳淬火、回火處理。噴丸采用葉輪式噴丸機，噴丸速度2900r/min，彈丸硬度57HRC。其噴丸試驗結果如下。

（1）噴丸件表層顯微硬度明顯提高，這是受到高的殘余壓應力、加工硬化和組織變化（細化）綜合作用的結果，其中殘留奧氏體的顯著減少對硬度提高也做出了貢獻。

（2）由于噴丸使工件表層中的殘留奧氏體變爲馬氏體，可用來提高表面硬度。馬氏體針明顯較未噴丸件細小致密，起到了細化馬氏體亞結構的作用。有利于殘余應力的提高，從而提高了齒輪的疲勞性能。

3.提高齒輪的疲勞壽命

例3：一汽采用強化噴丸工藝對“解放”牌汽車變速器一擋齒輪進行疲勞壽命試驗，顯著提高了齒輪的疲勞壽命。如表1所示。爲了提高“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，如果再采用強化噴丸，可以使其疲勞壽命提高到210.9萬次。

表1噴丸強化對“解放”牌變速器一擋齒輪疲勞壽命的影響

例4：齒輪采用碳氮共滲後噴丸硬化提高接觸疲勞強度。如SCM420H鋼齒輪，經通氨氣等進行碳氮共滲，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300℃。解決了汽車用自動變速器AIT常規滲碳齒輪齒面接觸疲勞破壞問題。

四、噴丸強化新技術

1.齒輪的硬噴丸技術

（1）硬噴丸技術

硬噴丸不同于常規噴丸，而是采用700HV高硬度鋼丸進行高強度噴丸，並使A型試片産生0.6mm以上的弧高，形成較大的殘余壓應力，得到高的疲勞強度。適合于優質滲碳鋼（如DSG1鋼，Si含量降至0.15%以下，而使內氧化現象及非馬氏體大爲減少；降低晶界脆性元素P的含量＜0.015%，提高Mo含量至0.4%而使滲層韌性大爲改善），它在消除內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

對于滲碳淬火硬度在600HV以上齒輪，較難通過正常噴丸達到較高壓應力。爲此采用二次噴丸硬化提高疲勞強度，即首先采用700HV高硬彈丸進行高強度噴丸（如0.6mm鋼丸），並使A型試片産生0.6mm以上的弧高，獲得一定深度的表面強化層，然後再用細小的低強度小彈丸（如0.08mm鋼丸）進行一次低強度噴丸，可在工件表面和次表面形成殘余壓應力。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，提高表面壓應力，即進一步提高齒輪的疲勞性能。此項技術屬于冷作處理。

2.硬噴丸新工藝應用

例1：直齒輪，材料DSG1（化學成分（質量分數，%）爲0.20C、＜0.15Si、0.70Mn、＜0.015P、0.015S、1.00Cr及0.40Mo）和SCM420，經滲碳淬火、回火處理。最後采用離心式噴丸機及￠0.8mm鑄鋼丸（化學成分爲0.85C—1Si—1Mn）進行噴丸，噴丸強度分別爲0.45mmA和0.7mmA弧高。前者屬于常規噴丸，而後者屬于硬噴丸。齒輪疲勞試驗是在電流消耗式齒輪疲勞試驗機上進行。

（1）噴丸處理參數及檢驗結果

試驗齒輪噴丸處理參數如表2所示。通過表2可以看出，硬噴丸齒輪的齒根疲勞強度高于常規噴丸。硬噴丸齒輪表面硬度和殘余壓應力提高而殘留奧氏體和內氧化程度降低。

表2 試驗齒輪的滲碳結果及噴丸處理參數

（2）硬噴丸、小彈丸噴丸及二次噴丸的比較

经过喷丸處理的工件，其最大残余压应力值是位于表面下面约0.05mm處，而表面却低于这个值，为解决此缺陷，采用细小弹丸（直径＜0.1mm）进行低强度喷丸處理。三種噴丸工藝參數如表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。小彈丸噴丸使齿轮表面得到非常高的压应力，达到1.2GPa。而二次噴丸處理得到最高的疲劳强度。同渗碳淬火后齿轮相比较疲劳强度提高到1.5倍。渗碳状态的齿轮留有切齿刀痕，经过喷丸處理后全部消失，齿轮表面粗糙度得到改善。由于加工刀痕有可能成为应力集中部位，因此喷丸處理时加工表面的改善也是提高疲劳强度的一个原因。

表3 三種噴丸工藝參數

五、彈丸

1.彈丸及其質量要求

齿轮经过化学热處理后，表面硬度多数已达到58~63HRC，在进行喷丸强化时，应采用高于或等于表面硬度的弹丸来进行喷丸强化處理，以保证表面的残余压应力数值和表面强化层深度。此外，弹丸尺寸的选择应保证齿轮的根部得到强化，在进行喷丸强化过程中，由于选择的彈丸直徑过大常常导致小半径的齿根部位得不到喷射强化。为此，应确保彈丸直徑小于齿根半径的一半。

由于鋼丸質量對強化效果影響很大，國家標准中已經對鋼丸的金相組織、化學成分、最小密度、硬度偏差給出嚴格的規範。

彈丸在使用過程中，不斷破損，需及時補充新彈丸，彈丸合格數量應保持在80%以上，爲此可選用不同規格的篩網加以控制，以確保噴丸強化效果。由于破碎的彈丸帶有尖角，容易使工件表面産生許多微小的尖切口，從而降低強化效果。因此，在生産過程中應將破碎彈丸篩選掉。

彈丸尺寸選擇原則：①當對表面粗糙度有要求時，應盡量采用較小鋼丸。②当工件带有内、外圆角及沟槽时，彈丸直徑尺寸应小于内、外圆角半径及槽的宽度。③保證彈丸球面形狀尺寸均勻。

2.鋼絲切丸

采用预钝化鋼絲切丸技术生产的新一代表面清理和强化的优质丸料，不仅钢丸硬度均匀、尺寸均匀、寿命长，而且生产中粉尘产生率低，可称之为绿色、环保钢丸，可应用于齿轮喷丸强化處理等。

3.強韌性彈丸及其化學配方

（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産，並調質到392~513HV，对于硬噴丸處理，要求彈丸硬度达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，其化學成分如表4所示，喷丸處理时，弹丸流率为0.75kg/s，噴射速度爲106m/s，噴丸後弧高爲1.0mmA。作为高强韧性弹丸的第二选择是高碳预處理过的高强度切线弹丸，尺寸范围为￠0.8mm，爲了得到700HV左右的高硬度，其碳含量增加至0.8%，其化學成分如表5所示。

表4 新型高韌性鑄鋼丸的化學成分（wt%）

表5 新型高強度切線彈丸的化學成分（wt%）

六、噴（抛）丸設備

1.吊鈎式抛丸清理機

該設備采用4台Q034型抛丸器，抛丸機主要技術參數如表6所示。

表6 Q034抛丸清理機主要技術參數

2.MP815型吊挂式抛丸強化清理機

單鈎承重800kg，工件最大尺寸￠800mm（直徑）×1500mm（高），抛丸器直徑350mm，最大抛丸量2×10400kg，電機功率2×11kg，轉速2960r/min。可通过变频调速对齿轮进行强化喷丸處理。

3.齒輪用先進的數控噴丸機

齒輪數控噴丸機是實現高精度強化的專用機械，有數控機械手噴丸機和數控機器人噴丸機。如“吉川”牌JCK型數控噴丸設備。

（1）數控噴丸機的主要構成

由噴丸室體、噴槍運行機構、工件運行機構、彈丸回收機構、彈丸分離機構、噴丸機構、除塵機構、電氣控制系統等部分組織。

（2）齒輪數控噴丸機的控制部分

主要包括：①噴槍運動控制，通過數控機械手或機器人控制噴槍運行，使其在噴丸過程中按指定要求執行運動過程。因此，要求高的定位與重複定位精度。②工件運動控制，是指工件在噴丸過程中旋轉、位移等運動的控制。③噴丸壓力控制，噴丸壓力的數字閉環控制，控制精度一般在±2%以內。④彈丸流量控制，彈丸流量的數字閉環控制，控制精度一般在±5%以內。⑤彈丸的自動回收與分離，噴丸灑落的彈丸被自動回收；回收的彈丸經過丸粉分離、尺寸分選、形狀分選三級分選，循環使用。⑥自動噴丸，實現自動加丸、連續噴丸功能。⑦控制軟件，程序儲存/调用；系统工作状态监视；喷丸飽和曲线自动生成；系统故障报警显示；易损件工作显示等。⑧環保，噪音指標；粉塵排放指標。

七、噴丸強化問題及解決方法

1.選擇彈丸的合理性問題

齿轮经过化学热處理后，表面硬度大多已达到58~63HRC，在對其進行噴丸強化時，采用的彈丸大多爲45~52HRC，這一方面容易導致齒輪噴丸區域得不到充分的強化，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

表面覆盖率是指零件而不是检测噴丸強度用的弧高度试片（Almen試片），因此在實際生産中若采用弧高度試片的表面覆蓋率來對零件設計噴丸工藝，將導致齒輪表面覆蓋率達不到應有的要求。弧高度試片的硬度爲44~50HRC，與齒輪表面的硬度58~63HRC相比差的較多，因此齒輪噴丸達到100%的覆蓋率所需要的時間要長于弧高度試片達到100%覆蓋的時間。

3.噴丸強度选择问题

（1）在实际喷丸过程中并非噴丸強度越高，齿轮的喷丸强化效果越好。这是由于：一方面是噴丸強度越高，冲击力越大，弹丸的破碎率就越高；另一方面是噴丸強度较高时，表层组织在大的弹丸离心力作用下会遭到一定程度的损坏，其粗糙度加大，可能产生微小裂纹使殘余應力有所下降。因此，选择适合的喷丸参数很重要。噴丸強度过低将无法得到较大的残余压应力和足够深的表面强化层；噴丸強度太高易产生表面裂纹或齿轮硬化层的剥落等问题。

（2）齿轮在渗碳淬火及回火后往往因存在内氧化软层而在喷丸强化處理后易产生应力集中，成为疲劳裂纹源的起点，尤其在内氧化严重情况下。对此只有采取有效控制以减少内氧化层的方法，才能使强化喷丸真正提高齿轮的疲劳强度。

（3）噴丸強化只適用于滲碳或碳氮共滲後經淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度＜40HRC及形状复杂的工件不易采用喷丸清理。当渗碳淬火后，表层有严重的网状碳化物时，喷丸處理后，表面容易出现微裂纹。