噴丸工藝對1Cr11Ni2W2MoV鋼螺母表面性能和顯微組織的影響

方 軍，詹玉婷，靳 凱

(1.安徽天航機電有限公司，蕪湖 241000；2.南京航空航天大學機電學院，南京 211100；3.國營蕪湖機械廠，蕪湖 241000)

0 引 言

噴丸強化通常利用彈丸高速撞擊材料，使得材料表面發生不均勻的塑性變形[1]，在材料表層會產生一定厚度的殘余壓應力層，殘余壓應力的存在可以提高裂紋的閉合能力，抑制裂紋擴展，提高材料的疲勞極限，并且在一定程度上提高材料的疲勞壽命和表面硬度[2-4]，該工藝具有操作簡單且高效等優點，在航空、航天以及汽車等領域應用廣泛[5]。

噴丸強化可以分為濕噴丸強化和干噴丸強化。濕噴丸強化的介質通常是丸料和液體按照一定比例混合的混合物，在噴丸過程中液體介質起到潤滑的作用[6]，而干噴丸則是不混合任何液體直接將金屬顆粒撞擊在被強化材料表面。彈丸離開材料表面后，材料內部單元體還保留一部分塑性變形，材料嘗試將發生變形的單元體回復到噴丸處理前的形狀，于是產生了殘余壓應力。噴丸強化改變了零件被噴表面的殘余應力狀態，并引入表面殘余壓應力，提高了零件的疲勞性能，其顯微組織也產生了一定的變化。李金魁等[7]根據斷口分析和應力計算，提出了材料的內部疲勞極限概念及相應的強化機制，并建立了噴丸強化的綜合效應理論。過大的表面粗糙度會使零件在工作中產生應力集中而產生裂紋繼而導致失效[8-10]。徐松超等[11]分別采用干噴丸、濕噴丸對TC17鈦合金表面進行強化處理，分析了噴丸強度對材料表層殘余應力、顯微組織以及硬度的影響。陰曉寧等[12]研究發現，TC4鈦合金表面經過濕噴丸后，表面的位錯密度增加，晶粒發生破碎、細化，并且表面粗糙度顯著降低。陳國清等[13]研究發現，濕噴丸可以有效降低Ti-6Al-4V鈦合金表面的粗糙度，且表面位錯密度增加，晶粒細化，基面織構由(100)向(101)轉變。李康等[14]研究發現，濕噴丸強化可使TC4鈦合金零件改性層內的晶粒發生細化，表面存在的殘余壓應力能夠很好地抑制裂紋的擴展。

航空用螺母一般都在高壓力條件下服役，容易出現疲勞裂紋等失效現象，提高螺母疲勞壽命的方法通常是優化結構，但在改進工藝方面的研究較少。作者以1Cr11Ni2W2MoV鋼螺母為研究對象，分別采用干噴丸、濕噴丸以及先干噴丸后濕噴丸3種不同的噴丸工藝對螺母表面進行強化處理，比較了不同噴丸工藝下螺母的表面殘余應力、粗糙度、顯微組織。

1 試樣制備與試驗方法

試驗對象為1Cr11Ni2W2MoV鋼螺母，其化學成分(質量分數/%)為0.13C，0.22Si,0.51Mn,11.60Cr,1.78Ni,1.85W,0.47Mo,0.23V[15]，密度為7.8 g·cm-3，彈性模量為210 000 MPa,泊松比為0.3，材料的屈服強度為281.2 MPa,硬化模量為1 086.68 MPa[16]。螺母的圓角半徑為1.6 mm。噴丸工藝中采用的強化彈丸為直徑0.35 mm的CZ35陶瓷丸，其彈性模量為390 GPa，密度為2.7 kg·cm-3，泊松比為0.26。采用干噴丸、濕噴丸以及先干噴丸后濕噴丸3種不同噴丸工藝對螺母表面進行強化處理，設計噴丸壓力為0.4 MPa，噴丸距離為100 mm，噴丸角度為90°，噴丸覆蓋率為100%，噴丸時間為4 min，其中干噴丸采用流量為2.5 kg·min-1的彈丸，濕噴丸采用流量為2.5 kg·min-1的彈丸和流量為10 kg·min-1水的混合物，先干噴丸后濕噴丸時先采用流量為2.5 kg·min-1的彈丸噴丸2 min后再采用流量為2.5 kg·min-1的彈丸和流量為10 kg·min-1水的混合物噴丸2 min。

采用μ-X360型X射線測試試驗裝置對螺母表面的殘余應力進行測試，測試位置為小圓弧截面、大圓弧截面和直段截面，測試方向沿螺母的軸向方向，每個截面表面均取4個點進行測試，然后取平均值，測試部位如圖1所示。采用Mitutoyo SJ-4105型粗糙度儀測螺母的表面粗糙度Ra，測試位置為螺母小圓弧、大圓弧和直段表面，每個位置測8個點取平均值。采用線切割方法在螺母直段上截取金相試樣，經鑲嵌、粗磨、細磨和精拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用IM300型光學顯微鏡觀察螺母表層和心部的顯微組織。

圖1 螺母殘余應力的測試部位Fig.1 Residual stress test positions of nut

2 試驗結果與討論

2.1 殘余應力

由圖2可以看出：干噴丸下螺母不同位置的殘余應力差距較大，濕噴丸下螺母表面的殘余壓應力最大；不同噴丸工藝下螺母大圓弧截面的表面殘余壓應力最大，小圓弧截面的表面殘余壓應力最小。濕噴丸下螺母表面殘余壓應力最大值位于大圓弧截面，達到550 MPa。噴丸角度為90°時，彈丸速度方向與螺母直段部分垂直，小圓弧截面受到彈丸的撞擊較弱，因此小圓弧截面的表面殘余壓應力較?。欢髨A弧截面的圓弧段在結構上朝噴嘴方向突出，彈丸更容易擊打在相對突出的部位，且突出的部分距離噴嘴更近，因此表面殘余壓應力較大。材料表面被彈丸不間斷撞擊時會發生不均勻的塑性變形，材料表層晶格發生畸變，位錯密度變大。在濕噴丸強化中，螺母表面不僅受到彈丸的撞擊作用，同時液體介質對于螺母表面的沖擊作用也會使其表面發生塑性變形，在彈丸與介質的共同作用下表面的殘余壓應力較大。

圖2 不同噴丸工藝下螺母不同位置表面的殘余壓應力Fig.2 Residual compressive stresses of different position surfaces of nut by different shot peening processes

2.2 表面粗糙度

由圖3可以看出，濕噴丸后螺母表面光亮，而干噴丸后螺母表面最粗糙。由圖4可以看出，干噴丸下螺母的表面粗糙度最大，Ra分布在2.5～3.2 μm范圍；濕噴丸后表面粗糙度最小,Ra分布在0.75～0.85 μm范圍；先干噴丸后濕噴丸后表面粗糙度介于干噴丸和濕噴丸之間，Ra分布在1.0～1.2 μm范圍。陶瓷丸的硬度大于螺母表面硬度，在干噴丸中，當陶瓷丸撞擊在螺母表面時，螺母表面不斷形成凸起和凹坑，導致表面凹凸不平，表面粗糙度增大；在濕噴丸中，當彈丸和液體的混合物撞擊螺母表面時，液體介質在螺母表面可以形成一層液體膜，起到潤滑作用，大大降低表面粗糙度。噴丸角度為90°時，在有液體介質的潤滑作用下，直段截面與小圓弧截面粗糙度較小，大圓弧截面的圓弧段突出結構受到彈丸更猛烈的擊打，表面粗糙度較大。

圖3 不同噴丸工藝下螺母的宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of nut by different shot peening processes: (a) dry shot peening; (b) wet shot peening and (c) dry shot peening followed by wet shot peening

圖4 不同噴丸工藝下螺母不同位置的表面粗糙度Fig.4 Surface roughness of different positions of nut by different shot peening processes

2.3 顯微組織

由于干噴丸工藝下螺母表面粗糙度較大，不符合螺母的粗糙度要求，且過大的粗糙度會導致零件在工作中因應力集中而產生裂紋，因此僅對先干噴丸后濕噴丸與濕噴丸下的顯微組織進行觀察。由圖5可以看出：未噴丸螺母表層和心部組織為低碳馬氏體；與未噴丸螺母相比，先干噴丸后濕噴丸后螺母最外層低碳馬氏體晶粒出現破碎和細化，這是因為噴丸強化使螺母表層發生較大的塑性變形，導致外層晶粒得到明顯細化，而心部晶粒未發生變化，螺母表面形成了0.25 mm深的殘余壓應力層；與先干噴丸后濕噴丸工藝下的螺母相比，濕噴丸工藝下螺母表層晶粒破碎程度較小，細化層深度較淺，形成的殘余壓應力層深度為0.15 mm。在先干噴丸后濕噴丸工藝中，干噴丸階段使螺母表層形成一定深度的殘余壓應力層后，濕噴丸階段僅對其表面粗糙度進行修正光飾，而在濕噴丸工藝全程有液體介質的條件下，強化所產生的殘余壓應力層較淺。

圖5 未噴丸和不同噴丸工藝下螺母表層和心部的顯微組織Fig.5 Microstructures of surface layer (a-c) and center (d-f) of nut without shot peening (a, d) and with different shot peening processes (b-c, e-f): (b, e) dry shot peening followed by wet shot peening and (c, f) wet shot peening

3 結 論

(1) 干噴丸后螺母的表面殘余壓應力最小，濕噴丸后的殘余壓應力最大，且濕噴丸后螺母的最大殘余壓應力出現在大圓弧截面處，達到550 MPa，而先干噴丸后濕噴丸后螺母表面殘余壓應力介于干噴丸和濕噴丸之間。

(2) 干噴丸后螺母的表面粗糙度最大，Ra分布在2.5～3.2 μm范圍，濕噴丸后表面粗糙度最小,Ra分布在0.75～0.85 μm范圍，先干噴丸后濕噴丸后表面粗糙度介于干噴丸和濕噴丸之間，Ra分布在1.0～1.2 μm范圍。

(3) 噴丸強化使螺母表層晶粒破碎而得到明顯細化，心部組織未發生變化。先干噴丸后濕噴丸后螺母表面殘余壓應力層深度為0.25 mm，而濕噴丸后殘余壓應力層深度為0.15 mm，綜合考慮采用先干噴丸后濕噴丸工藝對螺母進行強化處理。