拋丸工藝對(duì)60Si2Mn熱軋彈簧鋼表面殘余應(yīng)力的影響

張遠(yuǎn)慶

鐵科（天津）科技有限公司， 天津 301700

拋丸工藝是一種表面處理工藝，原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的拋丸器將彈丸以一定的速度和角度拋射到鋼材表面，彈丸通過(guò)撞擊將鋼材表面氧化鐵皮和雜質(zhì)清理掉。隨著拋丸工藝的不斷完善，應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到機(jī)械加工、汽車生產(chǎn)、兵器制造、礦山冶金、船舶、航空航天等領(lǐng)域［1-2］。拋丸在完成鋼材表面清理的同時(shí)，還會(huì)在鋼材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這是由于彈丸撞擊鋼材表面，鋼材表面出現(xiàn)塑性變形凹坑，撞擊完成后塑性變形層下面的彈性區(qū)要恢復(fù)到原始尺寸，但此時(shí)塑性變形層會(huì)阻礙彈性區(qū)的恢復(fù)，兩者相互作用導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生［3］。

依據(jù)GB/ T 39520—2020《彈簧殘余應(yīng)力的X射線衍射測(cè)試方法》，殘余應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變是區(qū)域內(nèi)各個(gè)晶粒晶格應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過(guò)X射線衍射法測(cè)定的晶格應(yīng)變可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力。X射線衍射原理為：當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)（λ）的X射線照射到材料上時(shí)，探測(cè)器會(huì)在衍射角（2θ）上接收到反射的X射線并形成衍射峰，如圖1所示。X射線的λ、衍射晶面間距（d）和2θ之間滿足布拉格定律［4］。

圖1 X射線衍射原理

殘余應(yīng)力可通過(guò)殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)和半高寬來(lái)描述［5］。其中殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)有最大殘余應(yīng)力（σmax）、最大殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)的深度（hmax）和殘余應(yīng)力影響深度（h0）［6-9］。半高寬是衍射峰在其最大強(qiáng)度的1/2處所占據(jù)的寬度，以度（°）為單位。σmax、hmax、h0和半高寬隨拋丸強(qiáng)度增加而增加［10-12］。

60Si2Mn熱軋彈簧鋼（簡(jiǎn)稱彈簧鋼）具有良好的強(qiáng)度、韌性和塑性，常應(yīng)用于高速鐵路扣件用彈條的生產(chǎn)［13］。本文采用不同拋丸工藝對(duì)彈簧鋼進(jìn)行拋丸處理，通過(guò)X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量不同拋丸工藝下彈簧鋼表面的殘余應(yīng)力。對(duì)比不同拋丸工藝下殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)和半高寬，分析不同拋丸工藝對(duì)彈簧鋼表面的拋丸效果，為拋丸工藝選取提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

拋丸設(shè)備工作參數(shù)：拋丸時(shí)間6 ～ 16 s，拋丸覆蓋率100%，拋丸工作電流30 ～ 50 A，拋丸用彈丸為粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸。

X射線應(yīng)力測(cè)定儀型號(hào)為XL-640。測(cè)試電壓20 kV，電流6 mA，曝光時(shí)間3 s。探測(cè)器采用線陣探測(cè)器，入射準(zhǔn)直管直徑1 mm。應(yīng)力測(cè)定儀使用前采用無(wú)應(yīng)力鐵粉進(jìn)行校驗(yàn)。

電解拋光儀工作電壓15 ～ 20 V，工作電流8 ～ 10 A，電解液為氯化鈉飽和溶液。采用基恩士激光測(cè)距儀測(cè)量電解拋光去層深度。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述拋丸設(shè)備及參數(shù)，選取不同拋丸時(shí)間和拋丸電流組合成5種工況，見(jiàn)表1。

表1 工況設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力場(chǎng)

拋丸電流相同、拋丸時(shí)間不同的三種工況（工況1—工況3）殘余應(yīng)力沿層深的分布見(jiàn)圖2（a）；拋丸時(shí)間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）殘余應(yīng)力沿層深的分布見(jiàn)圖2（b）。其中：層深是指彈簧鋼表面到某一點(diǎn)位的深度；殘余應(yīng)力為負(fù)表示受壓。

圖2 不同工況殘余應(yīng)力沿層深的分布

工況1—工況5殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同工況下殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)

由圖2（a）和表2可知：①工況1—工況3殘余應(yīng)力沿層深的變化規(guī)律類似。隨層深增加殘余應(yīng)力先增大，增至σmax時(shí)層深也達(dá)到最大值（hmax）；層深大于hmax時(shí)，隨層深增加殘余應(yīng)力逐漸減少；殘余應(yīng)力接近0時(shí)對(duì)應(yīng)的層深即為殘余應(yīng)力影響深度（h0）。②對(duì)于σmax，工況1、工況2僅相差10 MPa，與工況1相比，工況3增大16.1%；對(duì)于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加38.2%、71.1%；對(duì)于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加19.8%、43.5%。

由圖2（b）和表2可知：①工況3—工況5殘余應(yīng)力沿層深的變化規(guī)律類似，且與工況1—工況3相同。②對(duì)于σmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小14.7%、21.3%；對(duì)于hmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小26.9%、40.0%；對(duì)于h0，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小24.2%、36.0%。

由表2還可知：經(jīng)不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。對(duì)于σmax，工況3 ＞ 工況2 ＞工況1 ＞ 工況4 ＞ 工況5；對(duì)于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況5 ＞ 工況1；對(duì)于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況1 ＞ 工況5。這表明：①拋丸電流相同時(shí)，隨拋丸時(shí)間減?。ür3→工況1），σmax、hmax、h0均逐漸降低；拋丸時(shí)間相同時(shí)，隨拋丸電流減?。ür3→工況5），σmax、hmax、h0均逐漸降低。②5種工況中工況3（拋丸電流50 A，拋丸時(shí)間16 s）特征參數(shù)最大，因此工況3拋丸效果最好。

2.2 半高寬

拋丸電流相同、拋丸時(shí)間不同的三種工況（工況1—工況3）半高寬沿層深的分布見(jiàn)圖3（a）；拋丸時(shí)間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）半高寬沿層深的分布見(jiàn)圖3（b）。

圖3 不同工況下半高寬沿層深的分布

由圖3可知：①不同工況下半高寬沿層深的分布規(guī)律相似，半高寬均隨層深增加而逐漸減小，彈簧鋼表面半高寬最大，且5種工況半高寬均是減小至1.3°時(shí)不再減小。②層深相同時(shí)，對(duì)于拋丸電流相同、拋丸時(shí)間不同的三種工況，半高寬由大到小排序?yàn)楣r3 ＞ 工況2 ＞ 工況1；對(duì)于拋丸時(shí)間相同、拋丸電流不同的三種工況，半高寬由大到小排序?yàn)楣r3 ＞ 工況4 ＞ 工況5。③5種工況中工況3半高寬最大，即采用電流50 A，拋丸時(shí)間16 s工藝拋丸時(shí)拋丸效果最好。

3 結(jié)論

1）經(jīng)不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。在拋丸電流相同拋丸時(shí)間減小、拋丸時(shí)間相同拋丸電流減小兩種情況下，殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)均減小，拋丸效果變差。

2）層深相同時(shí)，拋丸電流相同拋丸時(shí)間減小、拋丸時(shí)間相同拋丸電流減小兩種情況下，半高寬均減小，拋丸效果變差。

3）采用粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸拋丸，拋丸覆蓋率100%，拋丸時(shí)間為16 s，拋丸電流為50 A時(shí)，殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)和半高寬最大，拋丸效果最好。