高壓水射流表層改性滲碳合金鋼的實驗研究

袁 濤，馬泳濤，朱新賓，吳政協(xié)

（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

水射流沖擊強化是20世紀80年代末由文獻[1]首先提出并發(fā)展起來的一項濕法噴丸強化新技術(shù)，是高壓水射流技術(shù)相對較新的應用領域，其具有受噴材料表面粗糙度值增加小、噴丸強度范圍寬、覆蓋率高、噴丸靈活、控制方便、無塵、安全綠色環(huán)保等優(yōu)點。但噴丸對于零件上易產(chǎn)生應力集中的特殊部位，如齒輪根部、鍵槽底部等作用效果不明顯，而大部分的疲勞失效卻集中發(fā)生在這些部位，水射流作為一種新興的表層改性技術(shù)，通過合理調(diào)整工藝參數(shù)，可以在上述零件部位引入較大的殘余壓應力，提高零件的抗疲勞性能。文獻[2]在大氣環(huán)境下采用磨料水射流對工業(yè)純鈦和Ti6Al4V鈦合金進行了強化試驗，得出結(jié)論：磨料水射流能夠給工業(yè)純鈦和Ti6Al4V鈦合金分別引入（-200）MPa和（-400）MPa的殘余壓應力。文獻[3]通過淹沒射流的方法，選用鋁合金7075T651作為實驗材料，研究了高壓水射流工藝參數(shù)對沖擊強化的影響規(guī)律，得出水射流能夠和固體噴丸一樣給鋁合金7075T651表面引入（-400）MPa的殘余壓應力。文獻[4]研究純水射流沖擊AISI316和Ti6Al4V時的表面硬化現(xiàn)象，在沖蝕表面下方，AISI316硬度從210HV提高到300HV，硬化層深度為100μm，而Ti6Al4V沒有明顯硬化。

我國高壓純水射流表層改性技術(shù)仍處于起步階段，現(xiàn)在主要側(cè)重于空化水射流、前混合水射流和磨料水射流的噴丸強化研究當中[5-7]，水射流改性的機理及工藝的研究較少[8]。選用18CrNiMo7-6滲碳合金鋼為實驗材料，選擇工藝參數(shù)中對水射流表層改性起主要作用的水射流壓力和噴嘴移動速度為實驗條件，研究表面顯微硬度、表面殘余壓應力和表面粗糙度隨水射流工藝參數(shù)的變化規(guī)律，為該材料的表層改性提供合理的工藝參數(shù)。

2 試驗材料與檢測手段

選擇18CrNiMo7-6滲碳合金鋼為實驗材料，其含碳量為（0．15～0．21）%，通過滲碳后淬火并經(jīng)過表面磨削，其表面硬度是58．2HRC，表面初始殘余應力為拉應力 113．5MPa。材料成分，如表1所示。18CrNiMo7-6滲碳合金鋼試樣規(guī)格為（30×30×20）mm的長方體，在其加工表面上進行水射流表層改性實驗。

表1 18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的化學成分Tab.1 Chemical Composition of 18CrNiMo7-6 Carburizing Alloy Steel

采用改裝過的高壓水切割機產(chǎn)生的高壓水進行水射流強化實驗；應用HV-1000型顯微硬度計測定試樣的表面硬度，施加的試驗力為0．9807N，施加方法為自動加卸，試驗力保持時間為10s，每個面測五個點的HRC，以其均值作為該面的顯微硬度；采用加拿大Proto高速大功率X射線殘余應力分析儀對實驗材料進行殘余應力的檢測，每個面測五個點取均值；應用2206B型表面粗糙度測量儀測定試樣表面的粗糙度。

3 試驗方法

根據(jù)前期的實驗研究，本實驗擬定采用10mm固定靶距，選擇對水射流效果起主要作用的水射流壓力和噴嘴移動速度2個因素進行水射流實驗，共做了8組實驗，具體實驗參數(shù)及變化量設置，如表2所示。試樣的水射流條件，如表3所示。在實驗參數(shù)的設置上，由前期所做的預實驗得出結(jié)論：在水射流壓力較高的情況下，噴嘴移動速度對后續(xù)的實驗結(jié)果影響很小，可以忽略不計，因此本實驗沒有設置在250MPa和300MPa壓力下的不同速度的試驗參數(shù)組，而只設定了最高的速度組。

表2 水射流實驗參數(shù)Tab.2 Experimental Parameters of Water Jet

表3 試樣的水射流條件Tab.3 Water Jet Condition of Sample

在試樣加工表面選定4個位置進行水射流實驗，具體位置，如圖1（a）所示。試樣表面的走刀軌跡設定為S形，走刀相隔間距為0．5mm，走刀面積是一個長5mm，寬5mm的正方形，如圖1（b）所示。因為選擇的噴嘴直徑為1mm，靶距為10mm，當水從噴嘴噴出時，其直徑會有一定程度的增加，為了達到每一個點都能進行兩次的噴射效果，因此我們選擇走刀間隔為0．5mm，水射流過程，如圖 1（c）所示。

4 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)表面完整性基本數(shù)據(jù)組的參考文獻，對實驗結(jié)果進行分類分析[9]。

4.1 水射流對表面顯微硬度的影響

水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性表面顯微硬度的影響曲線，如圖2所示。由圖2（a）可見，隨著水射流壓力的增加，18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的表面顯微硬度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，但與初始顯微硬度相比有小幅度的提升，且在150MPa和300MPa壓力下，試樣表面都產(chǎn)生了較高的顯微硬度。可以得出結(jié)論：在一定壓力范圍內(nèi)（200MPa左右），試樣表面的顯微硬度會隨著壓力的增加而有減小的趨勢，但當?shù)陀诨蚋哂谶@個壓力范圍時，其表面顯微硬度則有升高的趨勢，在靶距為10mm和噴嘴移動速度為60mm/min時，水射流對試樣表面有表面硬化作用。

18CrNiMo7-6滲碳合金鋼在兩種壓力情況下其表面顯微硬度都隨著噴嘴移動速度的增加而增大，如圖2（b）所示。其中，在150MPa壓力下顯微硬度在初始表面顯微硬度的基礎上增大，而在200MPa壓力下其硬度從比材料表面原始顯微硬度低的值開始增大，最終與表面原始顯微硬度大致相同。得到結(jié)論：在150MPa壓力下，水射流對試樣表面有硬化作用，但在200MPa壓力下，水射流對試樣表面有一定程度的軟化作用。這種軟化現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于水射流的壓力過大，而且噴嘴移動速度過慢（10mm/min和20mm/min），試樣表層的滲碳層被沖蝕掉所導致的。

圖1 水射流實驗圖Fig．1 Water Jet Experiment Diagram

圖2 水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性表面顯微硬度的影響曲線Fig．2 The Influence Curve of Water Jet Pressure and Nozzle Movement Speed on the Microhardness of Surface Modified Surface of Water Jet

4.2 水射流對表面殘余壓應力的影響

通過測得18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的未經(jīng)過水射流表層改性的表面殘余應力為113．5MPa。

水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性殘余壓應力的影響曲線，如圖3所示。由圖3可見，水射流表層改性可以顯著提高18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的表面殘余壓應力，將其由殘余拉應力改變?yōu)闅堄鄩簯Γ移渥畲笤黾臃冗_到928.4MPa。

18CrNiMo7-6滲碳合金鋼在噴嘴移動速度不變（60mm/min）壓力逐漸增加的情況下其殘余壓應力依次增大，如圖3（a）所示。由-784MPa（壓力 150MPa）增大到-534MPa（壓力 300MPa）。由此可得結(jié)論：在確定速度的情況下，試樣表面的殘余壓應力隨著水射流壓力的增加而逐漸增大。18CrNiMo7-6滲碳合金鋼在兩種壓力情況下殘余壓應力整體呈增大趨勢，如圖3（b）所示。但在200MPa壓力時出現(xiàn)了一個反向變化的畸變點。可以得出結(jié)論：在壓力一定時，隨著噴嘴移動速度的變化，試樣表面殘余壓應力會在小范圍內(nèi)上下波動。對于以上現(xiàn)象，在水射流表層改性時，由于有塑性變形的產(chǎn)生，因此會產(chǎn)生殘余壓應力，18CrNiMo7-6滲碳合金鋼經(jīng)過滲碳并淬火，其表層組織為梯度材料，表面的彈性模量與表層一定深度處的彈性模量不同，其產(chǎn)生塑性變形所需要的條件也不同，這樣就給殘余壓應力的產(chǎn)生帶來一定的不確定影響。

圖3 水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性殘余壓應力的影響曲線Fig.3 The Influence of Water Jet Pressure and Nozzle Moving Velocity on the Residual Compressive Stress of Water Jet Surface was Studied

4.3 水射流對表面粗糙度的影響

通過測量得到18CrNiMo7-6滲碳合金鋼未經(jīng)過水射流表層改性的表面粗糙度（Ra）為1.158μm。水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性表面粗糙度的影響曲線，如圖4所示。可見水射流表層改性顯著增大了試樣的表面粗糙度，變化最大幅度達到了原始粗糙度的4倍。且表面粗糙度隨著壓力的增大而增大；隨著水刀移動速度的增加而減小。

圖4 水射流壓力和噴嘴移動速度對水射流表層改性表面粗糙度的影響曲線Fig.4 The Influence Curve of Water Jet Pressure and Nozzle Moving Velocity on Surface Roughness of Surface Modified Surface of Water Jet

在60mm/min的噴嘴移動速度條件下，如圖4（a）所示。水射流壓力從150MPa增至300MPa時，其表面粗糙度從1.221μm增加到5.127μm，這說明在實驗的壓力區(qū)間內(nèi)，表面粗糙度隨著壓力的增加而增大。在150MPa和200MPa壓力下，如圖4（b）所示。試樣的表面粗糙度有隨著噴嘴移動速度的增加而減小的趨勢。當噴嘴移動速度從10mm/min增至60mm/min時，表面粗糙度都會減小，在200MPa壓力下的減小幅度最明顯，由5.127μm減小到1.355μm。可得出結(jié)論：在噴嘴移動速度變化范圍內(nèi)，存在一個最小表面粗糙度的速度，在此速度上，水射流表層改性后的表面粗糙度將達到最小。隨著水射流壓力的增大，其由水射流壓力引起的凹陷沖蝕所占的面積比由氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡崩潰引起的點狀凹坑沖蝕所占面積要大[10]，并且由于本實驗的走刀軌跡間距小，由氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡崩潰引起的點狀凹坑會被大幅度的覆蓋掉。18CrNiMo7-6滲碳合金鋼是梯度材料，其局部彈性模量不均勻，導致其表面加工刀痕在水射流表層改性時被去除，表面粗糙度大幅度增加。

5 結(jié)論

（1）水射流表層改性后18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的表面顯微硬度隨著水射流壓力的增加先減小后增大；隨著噴嘴移動速度的增加而增大，且在150MPa壓力，60mm/min速度下有明顯的變化（增加4HRC）。（2）水射流表層改性可以顯著提高18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的表面殘余壓應力，其殘余壓應力隨著水射流壓力的增加而持續(xù)增大；隨著噴嘴移動速度的增加而上下小幅波動。在水射流壓力為150MPa，移動速度20mm/min，靶距10mm時，可使18CrNiMo7-6滲碳合金鋼表面殘余應力由初始的113.5MPa改變到-814.9MPa，最大增幅達到928.4MPa。（3）水射流表層改性后的表面粗糙度隨著壓力的增大而增加（最高增加約為原始粗糙度的4倍），隨著噴嘴移動速度的增加而減小。