李 巍

(國營蕪湖機械廠, 安徽 蕪湖 241007)

300M鋼在飛機起落架等眾多的重要結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用頗多。300M鋼雖然性能優(yōu)異[1-2],但缺點也顯而易見。在實際研究中發(fā)現(xiàn),在噴丸工藝中,噴丸過程中殘余應(yīng)力的最大值和深度對疲勞極限的的影響極大[3]。因此,為確保其抗疲勞性能,300M鋼零件一般需要進(jìn)行噴丸強化。

表面噴丸強化處理技術(shù)在提高機械零部件的疲勞性能及抗應(yīng)力腐蝕性能方面是一種關(guān)鍵技術(shù)。噴丸強化技術(shù)通過表面強化工藝實現(xiàn)輕量化并降低換件成本,以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性的目的[4-6]。目前,噴丸強化技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已得到了諸多應(yīng)用。噴丸強化處理會導(dǎo)致材料表面發(fā)生塑形變形,減少零件表面拉應(yīng)力并引入有益的殘余壓應(yīng)力,從而提高了材料的性能。

在實際生產(chǎn)中,諸多處于關(guān)鍵部位的金屬構(gòu)件由于對抗疲勞性能的要求比較高,多選用噴丸強化處理后的300M鋼來制造。通過對多個噴丸過程的仔細(xì)研究,在保證表面粗糙度下降不大的前提下,最終獲得相對較好的殘余壓應(yīng)力場以及使組織得到細(xì)化,達(dá)到最大程度上提升300M鋼零件的疲勞壽命的目標(biāo)[7-9]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用300M(40CrNi2Si2MoVA)鋼,其化學(xué)成分如表1所示。300M鋼是在4340鋼基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的一種超高強鋼,經(jīng)機加工處理后,表面粗糙度Ra為0.602 μm,顯微硬度為460 HV0.2。

表1 300M鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 噴丸強化處理

300M鋼零件噴丸強化試驗設(shè)備采用手動噴丸機,分別為壓送式鋼丸噴丸機,彈丸流量0.5～20 kg/min,空氣壓力0.05～0.55 MPa;虹吸式陶瓷噴丸機,鋼絲切丸和陶瓷丸,彈丸流量0.1～2 kg/min,空氣壓力0.05～0.65 MPa。鋼絲切丸直徑φ0.3 mm和φ0.6 mm,硬度大于60 HRC,G3型號(圓形丸料)。球形陶瓷丸直徑φ0.2 mm,顯微硬度大于700 HV0.2。在零件上切取試驗用300M鋼試樣,規(guī)格為φ37 mm× 6 mm。其中待噴丸強化表面在平面磨床上進(jìn)行打磨處理。

噴丸強化工藝主要通過調(diào)整空氣壓力和時間來實現(xiàn),強化效果使用Almen A型弧高試片進(jìn)行表征。采用Electronics TSP-3型弧高度測量儀對噴丸強化后的A型弧高試片的弧高度值進(jìn)行測試。表2為本次試驗噴丸強化工藝參數(shù),各工藝所采用的覆蓋率都高于150%,其中工藝D為鋼丸噴丸+陶瓷丸噴丸。

表2 噴丸工藝參數(shù)

1.3 測試方法

采用HX-1000TM/LCD型顯微硬度計對噴丸強化后距表層不同深度的顯微硬度進(jìn)行測試,載荷為200 g,加載時間為15 s。

采用C130真實色激光共聚焦顯微鏡對噴丸強化前后的表面輪廓粗糙度進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 噴丸層殘余應(yīng)力及其分布

300M鋼經(jīng)不同噴丸強化工藝處理后,殘余應(yīng)力分布趨勢見圖1。

圖1 不同噴丸強化工藝下300M鋼的殘余應(yīng)力分布

零件表面經(jīng)噴丸處理后,產(chǎn)生塑性微凹坑,微凹坑周邊金屬有恢復(fù)至初始狀態(tài)的趨勢,因此在噴丸后的影響層內(nèi)會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[10-11]。噴丸處理后,表層的塑性變形會使晶格產(chǎn)生畸變,也正是通過晶格畸變的方法對殘余應(yīng)力進(jìn)行測試。不論通過什么方法,只要產(chǎn)生了殘余應(yīng)力,就會導(dǎo)致構(gòu)件表面的抗疲勞性能提升,甚至可以減緩裂紋擴展速率[12]。

未噴丸原始表面由于經(jīng)過小進(jìn)給量精磨,也產(chǎn)生了一定程度的殘余壓應(yīng)力,但其數(shù)值較小,深度較淺,其最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在表面,為-175 MPa,殘余壓應(yīng)力深度約50 μm。

不同噴丸強化工藝處理后,次表層的殘余壓應(yīng)力最大,且殘余應(yīng)力在距離表面不遠(yuǎn)處先增加,當(dāng)距離表面的深度比較大時又開始減小。

噴丸強度是影響殘余壓應(yīng)力層深度的一個重要因素。幾種噴丸工藝中,工藝A所使用的噴丸強度最低,從圖1的測試結(jié)果中也可以看出,只有其獲得的殘余壓應(yīng)力層不足150 μm。工藝C的噴丸強度最大,產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的作用層深度已經(jīng)超過了240 μm。

以單一噴丸工藝分析,陶瓷丸料的硬度高于鋼丸,且丸料直徑較小。陶瓷噴丸過程意味著較小的投影面積上完成了一次剛性碰撞,且破碎的陶瓷丸料不會被二次使用。工藝B和工藝C使用的鋼丸投影面積分別是工藝A中陶瓷丸料的2.5倍和9倍,加之鋼丸可以反復(fù)使用,投影面積將會進(jìn)一步增加,即使噴丸強度高于陶瓷丸料,其峰值殘余應(yīng)力也小于陶瓷丸料。由圖1可以看出,使用陶瓷丸料的工藝A,在25 μm次表層處,形成了最高-925 MPa的殘余應(yīng)力。單一鋼丸噴丸工藝C可以獲得較深的殘余壓應(yīng)力層,且次表面殘余壓應(yīng)力接近使用陶瓷丸料的工藝A。工藝D首先采用鋼丸強化處理,隨后進(jìn)一步使用陶瓷丸進(jìn)行強化。在兼顧殘余壓應(yīng)力作用層深度的同時也可在次表層進(jìn)一步提升殘余壓應(yīng)力。說明采用鋼絲切丸+陶瓷丸的復(fù)合噴丸方式可以獲得更為顯著的表面強化效果。

2.2 噴丸層組織結(jié)構(gòu)及其分布

X射線衍射峰半高寬越寬則噴丸形變組織結(jié)構(gòu)越明顯,即晶粒越細(xì)且顯微畸變越大。借助X射線衍射方法并結(jié)合電化學(xué)剝層技術(shù),測量不同噴丸工藝的表層衍射半高寬,其分布趨勢見圖2。

負(fù)壓吸引器：在手術(shù)過程中每個手術(shù)室都配有負(fù)壓吸引裝置利用負(fù)壓吸引來吸除煙霧是手術(shù)中常用的去除煙霧的方法之一。吸引器主要用來吸引血與大量液體等，同時也用來吸電外科器械產(chǎn)生的煙霧，但是實際操作時并不是很理想，但是效果如何并不為人知，只是直覺上覺得有效。自從使用自制吸煙裝置在手術(shù)腔鏡應(yīng)用得到大家一致好評。

原始精加工過程中的塑性變形使表面出現(xiàn)了一定寬化的衍射峰半高寬,但是由于機加工引入衍射峰半高寬的寬化程度并不明顯,只是作用在材料比較表層的部位,因此這種作用引起材料表面性能的變化也不大。

由圖2可以看出,不同噴丸強化工藝,由表層開始,隨著深度增加,衍射峰半高寬逐步減小,衍射峰半高寬明顯寬化出現(xiàn)在50 μm處。這一現(xiàn)象主要是因為對試塊表面進(jìn)行噴丸強化后,表層不斷循環(huán)的塑性變形程度逐漸增大,產(chǎn)生了明顯的形變組織結(jié)構(gòu)。但表層金屬在噴丸強化作用下會發(fā)生高于屈服強度的塑性變形,表現(xiàn)為粗糙度增加,加工硬化帶來的晶粒細(xì)化效果有限;加工硬化隨之會引起大量位錯增殖,增殖后的位錯在次表層通過纏接會形成新的晶界,晶粒細(xì)化效果明顯。

2.3 噴丸層顯微硬度及其分布

不同噴丸工藝下噴丸表層顯微硬度分布情況的測量結(jié)果見圖3。

圖3 不同噴丸強化工藝下300M鋼的顯微硬度分布

原始精加工表面附近的顯微硬度略高于內(nèi)部基體,該現(xiàn)象沿材料層深的分布不淺,主要是由于磨削加工導(dǎo)致了一定的表面加工硬化現(xiàn)象。由于機加工導(dǎo)致的表面加工硬化非常有限,所以不可能沿材料層的分布很深,故也就不會對材料的表面性能影響很大。

由圖3可以看出,不同噴丸強化工藝處理后,材料明顯硬化深度均在75 μm處。噴丸強化工藝A、B、C、D在表層處的顯微硬度分別為574、617、585和604 HV0.2。

材料硬度是一個受多種因素影響的指標(biāo),噴丸作用時的殘余壓應(yīng)力、形變細(xì)化組織等都會對其產(chǎn)生影響。一定條件下,噴丸殘余壓應(yīng)力越大、形變細(xì)化組織越明顯,則噴丸表層的顯微硬度得到提升的幅度也就越大。

2.4 噴丸層表面粗糙度

測量原始試樣及不同噴丸工藝下試樣表面的粗糙度,得到的結(jié)果見表3。

表3 不同噴丸強化工藝下300M鋼表面的粗糙度

數(shù)據(jù)表明,原始材料表面的粗糙度Ra為0.602 μm,工藝A材料表面粗糙度Ra為0.752 μm,工藝B材料表面粗糙度Ra為1.611 μm,工藝C材料表面粗糙度Ra為2.435 μm,工藝D材料表面粗糙度Ra為0.935 μm,工藝D由于增加了一道0.15A(陶瓷丸)精整弱噴丸,其表面粗糙度降低非常明顯。

綜上測試結(jié)果,在粗糙度改變不大的前提下,鋼絲切丸+陶瓷丸的復(fù)合噴丸強化工藝可以獲得較好的強化效果和表層組織結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1) 不同噴丸強化工藝,均可以在距表層150～200 μm深度范圍內(nèi)引入殘余壓應(yīng)力,且殘余壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在次表層。

2) 經(jīng)過不同噴丸強化工藝處理后,衍射峰半高寬明顯寬化出現(xiàn)在50 μm范圍內(nèi),說明噴丸強化處理后,表層晶粒得到細(xì)化。

3) 經(jīng)過噴丸強化后,在75 μm范圍內(nèi),材料顯微硬度均得到提升。相對于原始試樣表面的粗糙度0.602,經(jīng)A、B、C、D 4種工藝處理后的粗糙度分別為0.752、1.611、2.435、0.935 μm。

4) 鋼絲切丸+陶瓷丸的復(fù)合噴丸強化工藝在兼顧殘余壓應(yīng)力作用層深度的同時也可在次表層進(jìn)一步提升殘余壓應(yīng)力,且衍射半寬寬化程度隨著后續(xù)層深的增加并沒有降低,為最優(yōu)強化工藝。