拋射速度對鋼絲切丸鈍化強化的影響研究

趙松喬，張峰偉

（淄博大亞金屬科技股份有限公司,山東淄博 255000）

鋼絲切丸是拋噴丸強化工藝最常用的金屬磨料，廣泛用于強化汽車、航空航天、機車、風電、工程機械等行業中承受交變應力作用的零部件，其內部無氣孔、疏松、偏析等缺陷，粒度分布均勻，能在強化零部件表面的同時引入較大的殘余壓應力，可顯著提高零部件的疲勞壽命[1-3]。

鋼絲切丸顧名思義就是將鋼絲切段而成的丸粒，根據使用鋼絲的不同，分為不銹鋼絲切丸和普通的高碳鋼絲切丸和低碳鋼絲切丸。切成的鋼絲切丸有未鈍化處理的（圓柱形）和經過鈍化處理的(圓形)。由于鋼絲切丸是用鋼絲切割制成的，兩端有棱角，拋噴丸時棱角與傳動零部件碰撞，容易劃傷傳動零部件表面，形成潛在的疲勞裂紋源，因此應避免使用帶棱角的鋼絲切丸。在歐美工業發達國家，已經大量使用鈍化的去棱角、磨角鋼絲切丸，一般采用拋丸機將圓柱形鋼絲切丸高速拋打，使其在不斷的撞擊過程中逐漸變圓，直至達到規定的粒度和圓度要求。拋丸速度是影響鋼絲切丸鈍化強化的關鍵因素之一[4,5]。

鈍化處理的鋼絲切丸具有良好的綜合機械性能，抗拉強度高，具有無氣孔、無疏松、密度高、表面硬度高、耐磨性好、使用壽命長等特點。利用ERVIN 壽命試驗機模擬拋噴丸強化用鋼絲切丸的拋打過程，探索不同的拋射速度對鋼絲切丸鈍化強化處理的影響。

1 試驗材料與方法

ERVIN 壽命試驗機主要由大小電機、投擲裝置、撞擊靶面、再循環裝置等部分組成，并且繞著同一個中心線旋轉。其工作原理為模仿噴拋丸機器設計，給鑄鋼丸一個初始速度撞擊硬度較高的靶材，實現噴拋模擬，其中投擲裝置的轉速、形狀尺寸，撞擊面的硬度、尺寸以及靶材的硬度是歐文壽命試驗機的主要參數，其數值的大小直接影響著鑄鋼丸的歐文壽命。歐文壽命試驗機的工作過程如下：將鑄鋼丸從進料口處倒入裝置內，投擲裝置在攪拌軸的帶動下高速旋轉撞擊從高處下落的鑄鋼丸，鑄鋼丸撞擊被拋出后，打在具有很高硬度的靶面上，然后落到最低點；再循環裝置和撞擊靶材由小電機帶動低速旋轉，落在最低點的鑄鋼丸由再循環裝置帶動到高處，完成一次循環。用一個計數器記錄轉輪的旋轉圈數。一圈表示機器通過轉輪完整的過程。達到預設的圈數后，機器自動停止轉動[6，7]。歐文壽命試驗機拋射速度約為61m/s，而拋丸機拋射速度一般為70m/s，所以利用ERVIN 壽命試驗機模擬拋丸機鈍化強化鋼絲切丸時，需要利用變頻器調節壽命機轉速進而控制拋射速度，變頻器頻率與拋射速度對應關系如表1所示。

試驗按照如下步驟進行：

（1）調節變頻器為相應的頻率，分別設定壽命機回轉圈數為30、60 和90；

（2）取100g 規格為1.0mm 的鋼絲切丸，利用歐文壽命試驗機試驗，記錄損失量和用顯微鏡觀察研磨丸形貌及測試研磨丸硬度。

試驗所用碳鋼絲性能如表2 所示。

2 試驗結果及討論

鋼絲切丸外觀形貌，參照 JB/T 8354.1-2013 來進行判斷[8]，相關顯微鏡下外觀形貌如圖1 所示。

由表3 可知，在一定的條件下，隨著拋射速度的增加，鋼絲切丸鈍化強化過程中損失量越來越多；在一定條件下，隨著回轉圈數的增加，鋼絲切丸鈍化強化過程中損失量越來越多。當拋射速度達到85m/s，回轉圈數達到90 圈時，損失量超過5%。由圖1 可知：在一定的條件下，隨著拋射速度的增加，鋼絲切丸外棱角越來越少，逐漸接近球形；同樣隨著回轉圈數越多，鋼絲切丸越接近于球形，越接近于G3 研磨丸。當回轉圈數和拋射速度增大到一定的程度，鋼絲切丸外形變化很小，變成比較穩定強化研磨丸，說明拋射速度及回轉圈數與鋼絲切丸鈍化強化效果呈正相關關系。

表1 頻率與拋射速度對應關系

表2 碳鋼絲性能指標

表3 不同拋射速度下鋼絲切丸性能指標

圖1 不同拋射速度及回轉圈數研磨丸鏡下外觀形貌

統計不同回轉圈數、不同拋射速度情況下，鈍化強化研磨丸硬度，如圖2 所示。

圖2 不同拋射速度及回轉圈數研磨丸硬度變化

由圖2 所知，在一定條件下，隨著拋射速度的增加，強化鋼丸硬度基本上逐漸增加。在一定條件下，隨著回轉圈數的增加，強化鋼丸的硬度逐漸增加。當拋射速度達到85m/s，回轉圈數達到90 圈時，強化鋼丸硬度可以達到50HRC 左右。

3 結論

（1）在一定的條件下，隨著拋射速度及回轉圈數的增加，鋼絲切丸鈍化強化過程中損失量越來越多；鋼絲切丸外棱角越來越少，逐漸接近球形，越接近于G3 研磨丸。當拋射速度達到85m/s，回轉圈數達到90 圈時，損失量超過5%。當回轉圈數和拋射速度增大到一定的程度，鋼絲切丸外形變化很小，變成比較穩定的強化研磨丸。拋射速度及回轉圈數與鋼絲切丸鈍化強化效果呈正相關關系。

（2）在一定條件下，隨著拋射速度和回轉圈數的增加，強化鋼丸硬度基本上逐漸增加。當拋射速度達到85m/s，回轉圈數達到90 圈時，強化鋼丸硬度可以達到50HRC 左右。