300M鋼件表面的噴丸強化

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構件中應用頗多。300M鋼雖然性能優異[1-2],但缺點也顯而易見。在實際研究中發現,在噴丸工藝中,噴丸過程中殘余應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鋼零件一般需要進行噴丸強化。

表面噴丸強化處理技術在提高機械零部件的疲勞性能及抗應力腐蝕性能方面是一種關鍵技術。噴丸強化技術通過表面強化工藝實現輕量化并降低換件成本,以達到提高經濟性的目的[4-6]。目前,噴丸強化技術在發達國家已得到了諸多應用。噴丸強化處理會導致材料表面發生塑形變形,減少零件表面拉應力并引入有益的殘余壓應力,從而提高了材料的性能。

在實際生產中,諸多處于關鍵部位的金屬構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力場以及使組織得到細化,達到最大程度上提升300M鋼零件的疲勞壽命的目標[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,其化學成分如表1所示。300M鋼是在4340鋼基礎上改進得到的一種超高強鋼,經機加工處理后,表面粗糙度Ra為0.602 μm,顯微硬度為460 HV0.2。

表1 300M鋼的化學成分(質量分數,%)

1.2 噴丸強化處理

300M鋼零件噴丸強化試驗設備采用手動噴丸機,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,規格為φ37 mm× 6 mm。其中待噴丸強化表面在平面磨床上進行打磨處理。

噴丸強化工藝主要通過調整空氣壓力和時間來實現,強化效果使用Almen A型弧高試片進行表征。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行測試。表2為本次試驗噴丸強化工藝參數,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

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行測試。

2 試驗結果與討論

2.1 噴丸層殘余應力及其分布

300M鋼經不同噴丸強化工藝處理后,殘余應力分布趨勢見圖1。

圖1 不同噴丸強化工藝下300M鋼的殘余應力分布

零件表面經噴丸處理后,產生塑性微凹坑,微凹坑周邊金屬有恢復至初始狀態的趨勢,因此在噴丸后的影響層內會產生殘余壓應力[10-11]。噴丸處理后,表層的塑性變形會使晶格產生畸變,也正是通過晶格畸變的方法對殘余應力進行測試。不論通過什么方法,只要產生了殘余應力,就會導致構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過小進給量精磨,也產生了一定程度的殘余壓應力,但其數值較小,深度較淺,其最大殘余壓應力出現在表面,為-175 MPa,殘余壓應力深度約50 μm。

不同噴丸強化工藝處理后,次表層的殘余壓應力最大,且殘余應力在距離表面不遠處先增加,當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的測試結果中也可以看出,只有其獲得的殘余壓應力層不足150 μm。工藝C的噴丸強度最大,產生的殘余壓應力的作用層深度已經超過了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,加之鋼丸可以反復使用,投影面積將會進一步增加,即使噴丸強度高于陶瓷丸料,其峰值殘余應力也小于陶瓷丸料。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的殘余應力。單一鋼丸噴丸工藝C可以獲得較深的殘余壓應力層,且次表面殘余壓應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,隨后進一步使用陶瓷丸進行強化。在兼顧殘余壓應力作用層深度的同時也可在次表層進一步提升殘余壓應力。說明采用鋼絲切丸+陶瓷丸的復合噴丸方式可以獲得更為顯著的表面強化效果。

2.2 噴丸層組織結構及其分布

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

負壓吸引器：在手術過程中每個手術室都配有負壓吸引裝置利用負壓吸引來吸除煙霧是手術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腔鏡應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在50 μm處。這一現象主要是因為對試塊表面進行噴丸強化后,表層不斷循環的塑性變形程度逐漸增大,產生了明顯的形變組織結構。但表層金屬在噴丸強化作用下會發生高于屈服強度的塑性變形,表現為粗糙度增加,加工硬化帶來的晶粒細化效果有限;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部基體,該現象沿材料層深的分布不淺,主要是由于磨削加工導致了一定的表面加工硬化現象。由于機加工導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,噴丸作用時的殘余壓應力、形變細化組織等都會對其產生影響。一定條件下,噴丸殘余壓應力越大、形變細化組織越明顯,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,得到的結果見表3。

表3 不同噴丸強化工藝下300M鋼表面的粗糙度

數據表明,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。

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

3 結論

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

2) 經過不同噴丸強化工藝處理后,衍射峰半高寬明顯寬化出現在50 μm范圍內,說明噴丸強化處理后,表層晶粒得到細化。

3) 經過噴丸強化后,在75 μm范圍內,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+陶瓷丸的復合噴丸強化工藝在兼顧殘余壓應力作用層深度的同時也可在次表層進一步提升殘余壓應力,且衍射半寬寬化程度隨著后續層深的增加并沒有降低,為最優強化工藝。