壓縮機曲軸機械噴丸耐磨性能研究

王平， 郝麗秋， 司憲成

（1.大慶石化公司化工三廠 SAN車間，黑龍江大慶163714；2.大慶石化建設公司，黑龍江大慶163714）

0 引言

曲軸是壓縮機關鍵部件之一，其力學性能的好壞可以直接影響到壓縮機的使用壽命。壓縮機曲軸在服役過程中一直承受交變載荷的扭矩作用，比較常見的失效模式是軸頸磨損失效，這就要求曲軸材料需要具有較高的硬度及良好的耐磨性能。隨著球墨鑄鐵技術領域的不斷開發，球墨鑄鐵材料的力學性能也不斷得到改善，性價比高的球墨鑄鐵已成為曲軸制造的主要材料［1］。

自球墨鑄鐵開發后，經過大量研究人員的工作，球鐵的抗拉強度最高已經提高到近900 MPa，已經超過了碳素鋼的強度。與鍛鋼在壓縮機曲軸制造中的優勢相比，球墨鑄鐵不僅具有低廉的成本及便捷的可制造性，同時還兼具優異的吸振性能，良好的耐磨性及對材料表面微小裂紋不敏感等良好特性，這就使得球墨鑄鐵越來越成為代替鍛鋼類材料制造壓縮機曲軸的最好選擇［2］。有文獻研究報道，在振動應力加載后，通過對失效球墨鑄鐵曲軸表面進行掃描后發現，其失效破壞原因在于試樣材料表面產生了嚴重磨損，摩擦磨損進一步導致耐磨強度的降低。防止材料磨損失效的方法很多，目前，比較常用的有表面熱處理、滾壓、滲碳等工藝。然而，上述工藝均存在一定不足之處，如表面熱應力損傷、表面粗糙度較大、強化層深度較小等。

機械噴丸處理［3-6］是一種新型表面強化處理工藝，是一種通過在金屬材料表面獲得強烈塑形變形層從而獲得表面晶粒細化的技術，制備過程無污染，表面細化結構與基體結合力強，可以顯著改善金屬材料的強度、硬度、耐腐蝕性及抗疲勞特性。機械噴丸處理的主要原理是金屬材料表面在高頻率、多方向外力施加載荷的作用下，表面晶粒組織細化，并且在不同方向產生納米級細化。

本文以壓縮機曲軸用球墨鑄鐵為研究對象，利用表面機械噴丸處理工藝對球墨鑄鐵拉伸試樣表面進行處理，利用X射線衍射分析技術測試了機械噴丸前后試樣表面殘余應力分布；采用維氏硬度壓痕法測定機械噴丸前后球墨鑄鐵試樣表面顯微硬度值；采用SEM掃描電子顯微鏡對機械噴丸前后試樣的斷口進行分析，從微觀機理上分析了機械噴丸工藝對球墨鑄鐵材料力學性能的改善機制。

1 試驗方法

實驗材料為壓縮機曲軸用QT600-3型球墨鑄鐵材料，其化學成分見表1。試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm方塊試樣，實驗前用400#～2000#氧化鋁靜電砂紙對試樣表面進行打磨，以提高表面質量，然后利用酒精溶液清洗試樣表面。機械噴丸強化是在QPL30履帶式拋丸機上進行的，主要噴丸工藝參數如下：系統振動頻率為50 Hz，Cr-Mo鋼球彈丸直徑為1 mm，彈丸速度為60 m/s，樣品與彈丸距離為20 mm，納米化噴丸時間為200 min。

利用FM-7000型半自動數字顯微硬度計測試納米化表面顯微硬度，載荷為20g，載荷保持時間為20 s。摩擦磨損實驗在MS-T4000摩擦磨損試驗機上進行，潤滑油選擇45號機油，摩擦副為球盤接觸式，載荷設置為20 N，主軸轉速為300 r/min，室溫條件下進行。利用電子天平計算磨損量，利用QUANTA-2000型掃描電子顯微鏡觀察磨痕形貌。利用XStress3000型X射線應力分析儀測試納米化表面殘余應力分布，測試參數：電壓為30 kV，電流為6.7 mA。

表1 球墨鑄鐵化學成分及質量分數%

2 試驗結果與討論

2.1 顯微硬度

不同機械噴丸時間下球墨鑄鐵材料硬度值比較見表2所示。從中可以看出，未處理球墨鑄鐵表面硬度為1700 HV0.05,球墨鑄鐵表面硬度值隨著噴丸時間的不同在2300 HV0.05到2800HV0.05之間變化，相比未處理球鐵試樣有較大幅度改善。機械噴丸時間為90min的處理過程對球鐵硬度提高幅度最大，硬度值達到了3600 HV0.05，經過機械噴丸強化處理的試樣表面硬度顯著高于未處理球鐵試樣硬度值。硬度的增加能夠為QT600-3型球鐵材料耐磨性能的改善提供良好的條件，同時可以改善球鐵材料在滑動摩擦過程中的抗犁削性。

表2 不同處理狀態下的鍍層顯微硬度值

2.2 摩擦磨損性能

利用線切割將QT600-3球墨鑄鐵試樣未處理試樣及機械噴丸試樣制備成5 mm厚的圓盤試樣，對磨偶件選用GCr15鋼球，表面粗糙度低于Ra0.01。實驗條件為室溫、油潤滑，實驗過程記錄摩擦力矩，除以相應載荷便求得對應摩擦因數值f。利用電子天平對未處理及機械噴丸試樣在磨損實驗前后測量，測量結果如表3所示，計算可知，經過機械噴丸處理后，QT600-3球墨鑄鐵試樣磨損量僅為未處理試樣磨損量的30%，由此可見，QT600-3球墨鑄鐵試樣經過機械噴丸處理后其耐磨性能明顯提高。

表3 機械噴丸強化處理前后磨損失重對比

QT600-3球墨鑄鐵未處理試樣及機械噴丸強化處理試樣摩擦因數與磨損時間的關系如圖1所示，可以看出，在磨損過程中，機械噴丸強化試樣摩擦因數始終小于未處理試樣。在磨損實驗的開始階段，由于潤滑油在QT600-3球墨鑄鐵材料表面尚未形成保護油膜，摩擦副之間為固體摩擦，摩擦因數較大；待油膜形成后，摩擦因數則下降呈平穩趨勢；摩擦將近結束時，摩擦因數小幅上升，這主要是由于QT600-3球墨鑄鐵試樣表面出現了一定程度磨損。

圖1 摩擦磨損前后未處理及機械噴丸強化處理摩擦因數

2.3 抗氧化性能

將不同機械噴丸時間處理的QT600-3球墨鑄鐵試樣在加熱爐中熱處理1 h，目的是進行機械噴丸強化處理前后的抗氧化測試，測試數據見表4。本測試中定義當加熱處理1 h后，試樣表面硬度低于1000 HV時為失效狀態，硬度高于1000 HV則為未失效狀態，未失效狀態用測得硬度值標識，從數據中可以明顯看出，機械噴丸強化處理后試樣抗氧化性能明顯優于未處理試樣，且噴丸時間的不同也會對球鐵抗氧化性能有影響，抗氧化性能隨著機械噴丸時間的增加而改善。

表4 不同溫度加熱處理后球鐵表面顯微硬度值HV

2.4 掃描電鏡分析

圖2 不同處理狀態球墨鑄鐵斷面形貌

圖2所示為未處理及機械噴丸強化處理后QT600-3球墨鑄鐵試樣斷面掃描電鏡觀察到的斷面形貌。圖2（a）所示為未處理試樣對應的截面形貌，圖2（b）所示為機械噴丸強化處理后球墨鑄鐵截面形貌。對比發現，未處理試樣切削面磨損嚴重，球墨鑄鐵截面較為粗糙，而經過機械噴丸強化處理后，球墨鑄鐵截面形貌較為光滑連續，且磨損較輕，充分說明了機械噴丸強化處理可以顯著改善球墨鑄鐵摩擦磨損性能。

3 結論

通過對QT600-3球墨鑄鐵進行機械噴丸強化處理，得出了如下結論：

1）機械噴丸強化工藝能夠通過引入殘余壓應力及晶粒細化顯著改善球墨鑄鐵鍍層顯微硬度，硬度的提高又可以改善球墨鑄鐵的摩擦磨損性能。

2）噴丸時間的變化對球鐵耐磨性能至關重要，隨著噴丸時間的增加，球鐵表面層材料組織細化，使球鐵的抗氧化性能得到改善。

3）機械噴丸處理球鐵試樣摩擦因數顯著減小，磨損量僅為未處理試樣的30%，表明機械噴丸強化有效改善了壓縮機曲軸用球鐵耐磨性能。

4）機械噴丸處理后的球墨鑄鐵截面掃描電鏡分析為連續的光滑面，磨損較小，明顯優于未處理試樣粗糙的截面形貌，說明機械噴丸強化工藝能夠有效改善球墨鑄鐵摩擦磨損性能。

［1］ 王成剛.球墨鑄鐵曲軸的鑄造與發展［J］.汽車工藝與材料，2006，21（3）：1-4.

［2］ 董琪，史傳岳，顧厚軍.球墨鑄鐵曲軸濕砂型鑄造工藝［J］.鑄造技術，2014，35（2）：430-431.

［3］ 王欣，尤宏德，趙金乾，等.噴丸對DD6單晶合金高溫疲勞性能的影響［J］.中國表面工程，2013，26（2）：21-24.

［4］ 朱成輝，盧志明，高紅剛.表面噴丸壓力對304不銹鋼應力腐蝕敏感性的影響［J］.金屬熱處理，2011,36（10）：42-44.

［5］ 王銳坤，揭曉華，曾旭釗，等.35鋼表面微納米化蒸發鍍鋁復合處理后的抗粘附性能［J］.金屬熱處理，2013，38（4）：97-100.

［6］ 韓靖，盛光敏，胡國雄.高能噴丸0Cr18Ni9Ti不銹鋼自納米化機理［J］.中南大學學報，2009，4（3）：644-649.