喷丸强化对热锻模零件的影响

摘要：热锻模在工作过程中承受高温、高压、高冲击、高振动、高摩擦、高交变复杂载荷，工况条件苛刻恶劣，易产生塑性变形、疲劳、热磨损和断裂等失效现象，影响生产效率。研究发现，热锻模70%的失效来自于磨损，主要包括磨粒磨损和粘着磨损，一般发生在模具零件与坯料接触时间最长的部

热锻模在工作过程中承受高温、高压、高冲击、高振动、高摩擦、高交变复杂载荷，工况条件苛刻恶劣，易产生塑性变形、疲劳、热磨损和断裂等失效现象，影响生产效率。研究发现，热锻模70%的失效来自于磨损，主要包括磨粒磨损和粘着磨损，一般发生在模具零件与坯料接触时间最长的部位。锻件坯料表面粗糙，模具零件与坯料于高温高压环境下接触时，会加剧两者的相对摩擦。材料在高温环境下产生氧化物脱落，形成微小磨粒，对模具零件表面进行持续的磨损，造成表面沟痕及不平整现象，导致模具失效，称为磨粒磨损。

由于接触面微观不平整和应力集中，导致材料在接触点产生塑性变形和粘着，发生材料转移或脱落，称为粘着磨损。2种失效模式在模具上显示的形态有所不同。另一种常见失效形式为热疲劳失效，失效模具零件表面常见宏观热疲劳裂纹，呈网状分布，裂纹前端剥蚀严重。由于表层区域温度梯度大，有较大的热应力，首先形成热疲劳裂纹。随着锻造过程的进行，这些裂纹会逐渐扩展，最终导致模具整体失效。

2强化机理

提升模具的制造水平，延长模具的使用寿命，根本上要提高模具零件的表面质量。提高模具零件的表面质量通常是指通过化学、物理、机械等方式，提高材料表面强度与韧度的同时直接引入残余压应力，控制表面完整性，最终得到无应力集中的长寿命结构件。

喷丸强化（shotpeening，SP）是指在一个完全控制的状态下，将无数小弹丸连续、高速地喷射至材料表面，使材料表层发生循环弹塑性变形，产生一定深度改性层的表面处理技术，其强化机理为应力强化机制和组织强化机制。应力强化机制是指在喷丸过程中，高速运动的弹丸撞击材料表面，动能转化为塑性变形能。当弹丸离开表面时，材料内部会有恢复到原来状态的趋势，材料表层受到压迫，并因此形成残余压应力。这种残余压应力能够有效降低材料表面的实际应力水平，延长材料的疲劳寿命和提高抗裂纹扩展能力。

组织强化机理是指喷丸处理能够通过改变材料的微观组织结构来提高材料的力学性能。由于高速弹丸的冲击，材料表面会经历强烈的塑性变形，使材料表面的晶粒细化，导致大量位错的产生和积累。多个位错围绕一个共同的核心相互缠绕形成位错胞亚结构，位错胞和细小晶粒的存在可阻碍位错的进一步移动，提高材料的屈服强度和抗拉强度。还有一种由2个镜像对称的晶体面组成的微观结构——孪晶，它们在材料内部可以通过滑移线相互转换。在喷丸处理中，孪晶界可以作为位错运动的障碍，阻碍位错的滑移，增强材料的强度。

一般金属材料强度增加会导致韧性降低，同时塑性和延展性下降，对材料的使用性能造成影响。经研究发现，具有双峰晶粒结构和梯度纳米结构的非均质晶粒结构金属材料，能同时具有较高的强度和韧性，原因是当粗晶（CGs）和纳米晶（NGs）共存时，会发生非均质塑性变形，CGs会发生位错滑移，而NGs会阻碍位错的运动。CGs的位错滑移能抑制NGs金属的应变局域化，提高材料的塑性和韧性。现已有较多技术能实现表面的纳米化，实现晶粒尺寸的梯度变化，达到材料表面强韧化制造的目的。以下介绍已出现的喷丸强化技术，总结其使用效果，以探索其在模具领域应用的可行性。

3传统喷丸技术

试验发现，喷丸处理后金属表层晶粒明显细化，在表面形成致密的强化层，材料表面硬度显著提高，但会使表面粗糙度值增大，使用时喷丸产生的表面凹坑有助于形成润滑膜，使摩擦因数下降，提高耐磨损性。

喷丸效果的影响因素有喷丸直径、喷丸速度、覆盖率、靶材表面粗糙度值和初始残余应力等，数值模拟可以研究喷丸强化过程中表面残余应力的分布规律，常见的仿真软件有ABAQUS、ANSYS/LS-DYNA等。姬金金使用ABAQUS模拟的方法，确定热锻模钢5CrNiMo喷丸时应使用直径为φ0.4~φ0.6mm左右的铸钢弹丸，弹丸速度应控制在50~75m/s，喷丸覆盖率应在100%~150%，为工业生产提供指导性意见。传统喷丸技术的使用方法简单、成本低，在热锻模表面强化领域应用广泛，但表面强化效果有限，对表面粗糙度值的影响较大，需探索更有效的强化方法。

4微粒子喷丸

微粒子喷丸技术与传统喷丸过程相似，用更小直径（φ20~φ200μm）的弹丸经过压缩气体加速后高速冲击材料表面，使材料表面发生一定程度的塑性变形和组织结构优化，在材料表面和浅表层产生残余压应力场，使材料表面性能得到强化。微粒子喷丸的碰撞能量小，导致其作用层较浅，但产生的应力值大，表面粗糙度值小。微粒子喷丸处理后，材料表面硬度、表面最大残余应力均大于传统喷丸，最大残余应力值位于近表面。因弹丸直径较小，喷丸后表面粗糙度值小，减少了裂纹的出现，减缓应力松弛。在喷丸过程中，粒子动能一部分转换为热能，短时间内反复撞击过程中，出现急冷、急热现象，诱发晶粒细化，甚至出现表面纳米层。金属材料表面纳米化可提高材料的表面硬度和耐摩擦性能。当与渗氮技术复合使用时，表面纳米化处理可降低氮化温度、缩短氮化时间。当材料表面同时存在纳米晶、梯度晶粒结构时，材料同时拥有较高的强度和韧性，实现材料的强韧化处理，能满足更高的使用要求，在热锻模领域有较大的应用空间。但微粒子喷丸由于设备和工艺相对复杂，喷丸强度、覆盖率等选择基于经验，没有完整的强化规律，难以实现对工艺参数的精确控制，微粒子喷丸的数值模拟需求迫切。

5新型喷丸技术

5.1激光喷丸

激光喷丸成形技术采用高频、高功率、短脉冲激光束穿过中间透明的约束层辐照带有吸收层的靶材表面。吸收层受激光辐照迅速气化、电离，形成高温高压的等离子体。等离子体在约束层的作用下急剧膨胀，产生向靶材内部传播的强冲击波。

冲击波的压力峰值可达数GPa，高于材料的动态屈服强度，改善材料的微观结构及其应力分布，能够在材料表层产生高幅值、大深度的残余压应力，实现纳米级的表面改性，也可达到同一零件不同区域有不同强化效果的目的，因此激光喷丸更适用于高精度要求的场合和复杂形状的成形。但激光喷丸过程中可能会产生局部高温，产生一定的热影响区域，因此有些材料不适合使用激光喷丸进行强化。同时设备成本相对较高，工艺参数的控制要求高，对工作人员的技术要求高，缺乏相应的工艺和技术标准，这些都限制了激光喷丸技术的发展和应用。

5.2超声喷丸

超声喷丸技术是利用超声波能量驱动丸粒或撞针高速撞击材料表面，实现材料表面改性或变形的技术。相较于传统喷丸技术，弹丸硬度更高、直径更大、速度方向更加随机，因此产生的残余应力值较大，表面粗糙度值小，表面强化效果更好。特别是在高强度钢的应用中，超声喷丸技术能够实现材料表面纳米化，提高材料的表面硬度、疲劳强度和耐腐蚀性能。超声喷丸设备简单、可控性更好，但工艺参数与强化效果之间的关系复杂，冲击原理和加工效果与传统喷丸相差较大，建立超声喷丸的力学模型相对困难，需要通过数值模拟等方式，探索合适的喷丸参数来指导生产。

5.3高压水喷丸

高压水喷丸技术是利用高压水射流对材料表面进行强化的工艺方法。这种技术通过在水中产生高压水射流，利用气穴效应打击金属零件表面，实现表面强化的目的。该技术逐渐发展前混合水射流和前混合自激振荡水射流等不同的射流形式，但实质都是冷作硬化。高压水喷丸技术可以提高材料的表面显微硬度、表面残余压应力和延长疲劳寿命，其产生的残余压应力峰值位置位于浅表层。如对2A11铝合金和45钢进行的喷丸试验表明，水射流喷丸可以将这2种材料的疲劳寿命分别提高1.74倍和2.67倍。但是高压水对金属具有一定的腐蚀性，导致其目前只能用于加工铝合金等耐腐蚀的金属材料，同时相关力学模型尚未建立，有限元模拟难以进行。

5.4复合喷丸

热锻模的复合喷丸技术是有效的表面强化方法，包括喷丸-氮碳共渗、复合高能喷丸、激光-机械喷丸等工艺，能综合不同喷丸工艺的优点，避免单一喷丸时出现的缺陷，提高模具零件的耐磨性和延长其使用寿命。

喷丸-氮碳共渗在热锻模上的应用广泛，预喷丸处理有明显的催渗作用，可以促进白亮层的形成，增加渗氮层深度。模具零件表面经过碳氮共渗处理后，会形成一层硬质的碳氮化物层，这种硬质层能够有效提高模具零件的硬度和耐磨性，延长模具的使用寿命。余盈燕等用试验验证了与单纯喷丸处理、多元氮碳共渗相比，喷丸+多元氮碳共渗复合强化处理对5CrNiMo钢试样及其热锻模表面强化效果更好。复合强化处理的5CrNiMo钢试样及其热锻模，渗氮白亮层的平均厚度和渗层深度均有所增加，零件表面显微硬度提高了约85HV0.5，摩擦磨损性能也得到了改善。激光-超声复合喷丸强化综合2种喷丸技术能够显著降低材料表面粗糙度值，促进表面晶粒细化，试验表明，经复合喷丸强化后表面残余压应力幅值与表面显微硬度分别增加了25.8%与12.9%。

这种复合技术通过超声冲击波与激光冲击波的复合效应调控微观组织与表面残余应力，改善金属材料的表面性能。此技术在热锻模中的应用相对较少，前景广阔，随着越来越多新的喷丸工艺出现，也会有更多的复合形式，包括2种或多种复合，使模具零件材料的强化效果更好。

5.5二次喷丸

二次喷丸是在一次喷丸处理后，通过比一次喷丸强度更小的弹丸流撞击零件表面，再次对材料表面进行喷丸处理的技术。这种技术能够在相同的喷丸能量下，增大靶体内部最大残余压应力和表面残余压应力，有效降低表面粗糙度值，但对残余压应力场影响小。

试验证明，采用大尺寸弹丸对纯钛表面进行高能喷丸，然后采用小尺寸弹丸进行表面修整，能制备一定深度的表面纳米层，提高了纯钛的疲劳强度。何嘉禧等结合ABAQUS和PYTHON程序，建立了有限元模型，探究二次喷丸对42CrMo钢零件表面完整性的影响，结果发现，二次喷丸后，残余压应力值均比初始状态有所增加，表面粗糙度值整体下降，材料耐磨性和抗疲劳性能提高。

5.6各种喷丸强化技术比较

为了直观表征，各种喷丸强化技术比较总结如表1所示。