前言
抛喷丸是一种可以改善大部分金属材料寿命的表面加工方法,因为抛喷丸加工所产生的残留应力可以阻止或减少裂纹的发生、传导及扩展。
早在几千年前,抛喷丸的加工方法就以锻打的型态存在于金属加工的过程之中,例如:古代战甲的头盔,它之所以有保护头部的功能,除了金属材料本身的强度外,在头盔制造过程中,锻打所产生的压延应力更大大的增加金属材料的强度,而这样锻打所产生压延应力的效果就如同抛喷丸所产生之压延应力一般,都是藉由加工过程所产生之压延应力而提高被加工物的疲劳寿命及强度,因此锻打工艺可以算得上是抛喷丸工艺的前身。
主要功能和用途
珠击(Shot Peening)又名喷丸、抛丸,是一个冷处理过程,此表面特殊处理即无数个小圆形钢丸连续捶打零件表面,每颗钢丸撞击金属零件上,如一个微型棒槌敲打表面,捶出小压痕或凹陷,此时增加表面硬化,达到硬度强化的效果。为形成凹陷,金属表层必定会产生拉伸。表层下,压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状,从而产生一个高度压缩力作用下的半球,无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。
珠击与喷砂很多人分不清楚,虽原理相同,但设备流程差异甚大。一般喷砂仅需考虑回收、集尘、强度即可,但珠击还需要考虑筛选变形及破碎,分离不合格钢珠,并进行流量控制,且钢珠大小须严格分离,在功能的差异上更为明显。喷砂主要功能在于清洁作用,提升表面粗糙度,以利后制程加工,如电镀、烤漆等。珠击则是提高工件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀,以及工件表面的硬度,达到增强使用寿命的效果。
可以想像,在一个压应力区域,裂纹是难以形成或延展。由于几乎所有的疲劳和应力腐蚀失效都发生在零件表面或靠近表面的地方,因而通过珠击导入压应力,可显著延长零件寿命。
很多金属疲劳失效的元凶是拉应力。这些拉应力的产生是由于外部施加的交变载荷或生产过程如焊接、研磨、机械加工形成的残余应力。拉应力试图将零件表面拉伸或拉扯,最终导致裂纹的产生。而压应力挤压表层处的晶粒,使该区域的晶粒结构夯实、坚固地结合在一起,从而极大地延缓疲劳裂纹的形成。压应力层下,细纹延展缓慢,因此增加压应力层深度,能有效抑制裂纹的发生和发展。
P.S. 拉应力使物体变大,压应力使物体变小,故压应力有凝聚物体的效果,使其较为坚固。
珠击(Shot Peening)特点
1.消除铸、锻、焊件残留应力:残留应力对工件本身具有破坏性,透过珠击(喷丸)可将残留应力消除,并增加其反向的应力,以增强使用寿命。
2.提升金属表面硬度:透过珠击的表面处理,使其表面晶格产生压缩,进而提升硬度。
3.提升机械强度:珠击因将其表面微变形产生强化效果,使其抗弯、抗拉、抗压、抗冲击都有提升。
4.增加金属抗疲劳强度:内部应力的消除加上表面结构的增强,使其寿命增加。
5.增加耐磨耗、耐腐蚀:因珠击造成表面硬化,达到寿命的增加。
6.表面消光、去氧化层:珠击后表面雾化,使其达到美观效果,并可清洁轻微锈斑问题。
珠击之目的是经珠击之加工使弹簧表面产生残留压缩应力,在弹簧承受负荷时将其拉伸应力相互抵消,减少应力而延长使用寿命, 故是否需要珠击应视目的、弹簧型式,而材质并非重要考量。