黃曼曼

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

擠壓鑄造具有金屬液的利用率高、選材范圍廣、所得鑄件組織性能優(yōu)良及精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域，它在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)輕量化[1，2]。擠壓鑄件不僅需要滿足硬度要求，其表面還需具有一定的粗糙度以便進(jìn)行涂裝及美觀等，但當(dāng)粗糙度過(guò)大時(shí)又會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，縮短產(chǎn)品的使用壽命[3，4]。國(guó)內(nèi)外研究可知[5，6]，通過(guò)拋丸處理可增加鑄件表面的壓應(yīng)力，同時(shí)降低裂紋產(chǎn)生的幾率，有效提高零件的疲勞強(qiáng)度，但拋丸處理可同時(shí)影響鑄件的硬度及粗糙度。本文對(duì)A380鋁合金擠壓鑄件采用不同的拋丸處理工藝，對(duì)經(jīng)處理后工件的硬度及表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

A380鋁合金的化學(xué)成分如下 ：Si：9.2、Fe：0.86、Cu：3.5、Mn：0.18、Mg：0.09、Zn：0.86、Ti：0.02、Ni：0.06、Sn：0.02，其余為Al。從擠壓鑄件上截取6mm厚的矩形板為試樣進(jìn)行分析，采用最大轉(zhuǎn)速為1700r/min的立式拋丸清理機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拋丸處理，拋丸的溫度為25℃。試驗(yàn)所控制的變量為鋼丸直徑（0.50mm、0.30mm）、拋 丸 速 度（800r/min、1200r/min、1600r/min）、拋丸時(shí)間（150s、300s、450s），試驗(yàn)采用正交數(shù)據(jù)控制單一變量的方法進(jìn)行研究分析，共制備18個(gè)試樣采用18種工藝，如表1所示。其中未經(jīng)拋丸處理的A380擠壓鑄件的表面粗糙度Ra為1.526μm，硬度（HV）為104。采用硬度儀和表明輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)經(jīng)拋丸處理后試樣得硬度和粗糙度Ra進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用掃描電鏡SU3500對(duì)試樣的表面形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 拋丸工藝對(duì)A380鑄件粗糙度及表面硬度的影響

試驗(yàn)測(cè)試所得經(jīng)拋丸處理后鑄件的粗糙度Ra如圖1，觀察圖1a可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋丸時(shí)間為150s和300s時(shí)，粗糙度隨拋丸速度的增加而升高，當(dāng)拋丸速度為1600r/min時(shí)，其表面粗糙度分別為4.526μm、5.217μm，比拋丸速度為1200r/min的粗糙度分別提高約6.9%、1.8%?？傮w上看當(dāng)拋丸時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)粗糙度越高，但當(dāng)拋丸速度為800r/min，時(shí)間為450s時(shí)，粗糙度僅為2.510μm，這說(shuō)明當(dāng)拋丸速度較低時(shí)，拋丸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使粗糙度下降。這可能是由于體積較大且速度較低的鋼丸并未對(duì)鑄件表面組織產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)使其發(fā)生拉伸變形[3]。在1200r/min、450s時(shí)其粗糙度約為6.142μm，但當(dāng)1600r/min其粗糙度又低至5.261μm，這可能與鑄件組織較致密且無(wú)明顯缺陷有關(guān)。

觀察圖1b可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼丸直徑為0.30mm時(shí)，試樣的表面粗糙度Ra隨拋丸速度的升高而增加，當(dāng)拋丸時(shí)間越長(zhǎng)速度越低時(shí)，所得試樣的粗糙度越低。當(dāng)拋丸速度為1600r/min時(shí)所得粗糙度的值均較大，當(dāng)拋丸時(shí)間為450s時(shí)為最大值6.496μm。觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼丸直徑為0.50mm、0.30mm時(shí)，試樣的粗糙度總值分別為39.949μm，38.984μm，兩者相差較小，這說(shuō)明鋼丸直徑對(duì)粗糙度的影響不大。經(jīng)拋丸處理后所得試樣粗糙度的最大值和最小值均出現(xiàn)在拋丸時(shí)間為450s時(shí)，所以在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)綜合考慮拋丸速度和鋼丸直徑對(duì)粗糙度的影響。

圖2所示為A380鑄件試樣經(jīng)拋丸處理后硬度測(cè)試的結(jié)果，觀察圖2a可發(fā)現(xiàn)，總體來(lái)說(shuō)當(dāng)拋丸速度越大，拋丸時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，其表面硬度越高，但在1200r/min、150s時(shí)其硬度為116，與800r/min的硬度值120相比有所下降，這可能是由于表面硬度受拋丸時(shí)間和速度的綜合影響，雖然拋丸速度增加使得強(qiáng)化層厚度增加，但硬化層中出現(xiàn)了連續(xù)斷層的缺陷，導(dǎo)致硬度下降，當(dāng)拋丸速度升至1600r/min時(shí)，鋼丸對(duì)試樣的沖擊力增大，使得硬化層增加，表面斷層缺陷減少，進(jìn)而使硬度得到提升。觀察圖2b可發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象，當(dāng)工藝為150s、1200r/min時(shí)試樣的硬度為115，與800r/min時(shí)試樣的硬度121相比有所下降。當(dāng)工藝為300s、800r/min時(shí)試樣的硬度最低僅為105，觀察該試樣的表面形貌可發(fā)現(xiàn)硬化層上存在大量的顆粒狀組織及斷層，這主要是由于較低的拋丸速度使硬化層變薄且出現(xiàn)大量的缺陷，造成硬度明顯下降。

圖1 經(jīng)拋丸處理后所得鑄件表面的粗糙度Ra

圖2 經(jīng)拋丸處理后所得鑄件的硬度

拋丸強(qiáng)化就是通過(guò)鋼丸高速且連續(xù)的沖擊使工件的表層結(jié)構(gòu)發(fā)生翻滾并氧化，使得靶材的表層結(jié)構(gòu)發(fā)生了以下變化：非均勻的塑變內(nèi)表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力、外表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；表面粗糙度發(fā)生變化；微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改性[7]。通過(guò)這些變化可提高材料的抗疲勞斷裂性能，防止其發(fā)生疲勞失效、脆斷和塑性變形等，進(jìn)而提高工件的疲勞壽命[8]。

2.2 拋丸工藝對(duì)A380鑄件表面形貌的影響

經(jīng)0.50mm鋼丸進(jìn)行拋丸處理后試樣的形貌，經(jīng)拋丸處理后試樣硬度的提升主要取決于鋼丸所產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力大小，組織裂紋缺陷分布和加工硬化程度。由于鋼丸對(duì)試樣表面的不斷沖撞，使上表層因拉伸出現(xiàn)塑性凹坑，而塑性層以下的彈性層產(chǎn)生壓應(yīng)力，所以通過(guò)試樣表面的凹陷程度可以觀察殘余應(yīng)力的大小。

由于工藝1的拋丸速度低且拋丸時(shí)間短，所以對(duì)試樣表面的沖擊較小且出現(xiàn)了不規(guī)則的凹坑，發(fā)生了較輕的加工硬化和較小壓應(yīng)力，所以此時(shí)硬度提高的并不明顯。與工藝1相比，工藝4的拋丸速度為1200r/min，觀察可發(fā)現(xiàn)試樣表面的擊打痕跡分布很均勻，但觀察可發(fā)現(xiàn)，凸起的下方出現(xiàn)了連續(xù)斷層的缺陷，破壞了金屬原子間鍵合，當(dāng)表面受壓力載荷時(shí)該斷層缺陷發(fā)生回縮，使得壓應(yīng)力下降，所以與工藝1相比硬度變化不大但粗糙度明顯上升。

兩種工藝相互比較，其中一種的拋丸時(shí)間增至450s，由于沖擊形成了更大的凹陷且出現(xiàn)大量的斷層，硬度約為147。這主要由于試樣表面被充分的擊打產(chǎn)生了較大的變形，使得塑性變形的厚度增加，硬度升高，而較高的拋丸速度阻止了部分翻滾后的組織發(fā)生原子鍵合，導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。其表面粗糙度為6.142μm，這主要是由于試樣表面發(fā)生了較大的變形和較多缺陷，使局部出現(xiàn)高低不平的現(xiàn)象。在這一速度下鋼丸的沖擊力使得塑性變形層的厚度增加，殘余應(yīng)力增大，組織之間可以形成金屬原子的鍵合，提高其承受壓力荷載的韌性。鋼丸直徑為0.30mm時(shí)，筆者觀察表面形貌發(fā)現(xiàn)與上圖的規(guī)律基本類(lèi)似。但試樣的表面均出現(xiàn)麻狀顆粒狀組織，這些顆粒狀組織使得表面受壓力荷載時(shí)容易發(fā)生斷裂，增加表面脆性，提高了表面缺陷的密度，這也是0.30mm鋼丸直徑硬度低于0.50mm的主要原因。

3 結(jié)論

經(jīng)拋丸處理后A380鋁合金擠壓所得鑄件的表面硬度由116升至165，同時(shí)粗糙度Ra在2.510μm～6.496μm之間；總體上說(shuō)當(dāng)拋丸時(shí)間越長(zhǎng)，速度越高時(shí)，所得試樣的粗糙度越大，而鋼丸直徑對(duì)試樣粗糙度的影響不大。當(dāng)鋼丸直徑為0.30mm，拋丸速度分別為800r/min、1600r/min，拋丸時(shí)間為450s時(shí)所得試樣的粗糙度分別為3.495μm、6.496μm。當(dāng)拋丸時(shí)間越長(zhǎng)、拋丸速度越高時(shí)，所得試樣的硬度越高；由于試樣表面強(qiáng)化層厚度的增加、凹坑的加深、表面缺陷的增加使得試樣表面的粗糙度增大。