水射流工藝對滲碳鋼圓棒表層改性影響的研究

馬泳濤，安樂樂，張倫敦，趙樂川

(1.鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 河南省資源與材料工業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450001)

0 引言

當(dāng)前，零件表面改性的主要任務(wù)是在表層形成具有一定深度層的殘余應(yīng)力[1]。在產(chǎn)生殘余應(yīng)力的方法中，存在幾個難題：一是對于硬度較高的表面處理起來較為困難；二是對于復(fù)雜、狹窄部位的處理較為困難，尤其是對于齒輪根部等需要引入較大殘余應(yīng)力的部位；三是引入殘余應(yīng)力的值離材料的期望性能仍有一定的差距。傳統(tǒng)處理方式如拋丸、氣動噴丸等[2]，丸粒速度在100 m/s以下，限制了噴丸的能量密度，影響噴丸效果。而采用接觸式滾壓方式處理過程中需要較大的反作用力，這對壓頭的材料有較高的要求，且在某些部位，壓頭無法直接有效接觸。對于齒輪等零件，需要齒面具有較高的硬度及優(yōu)良的殘余應(yīng)力分布，這就需要發(fā)展新的表面改性工藝，以實現(xiàn)硬態(tài)表面殘余應(yīng)力的有效引入。

而水射流方法在當(dāng)前不失為一種較為理想的非接觸處理方法。水射流強化分為以純水為介質(zhì)的水噴強化和添加磨料的水噴丸強化(分為前混合和后混合)。水噴強化表層改性技術(shù)依靠純水流的沖擊使零件表面發(fā)生塑性變形，從而改變材料表層力學(xué)性能[3]。水噴丸強化具有純水噴丸和傳統(tǒng)氣動噴丸的特點，通過把混合丸粒的高壓水射流噴射到試樣材料表面上，使材料表層呈現(xiàn)出理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，從而達到提高材料疲勞強度的目的[4]。

Arola在大氣環(huán)境下發(fā)現(xiàn)高壓水噴丸強化能夠給工業(yè)純鈦和Ti6Al4V鈦合金表面引入較大的殘余壓應(yīng)力，但是產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的深度比較小[5]。Arola等采用后混合水射流噴丸強化技術(shù)對AISI304和Ti6Al4V進行強化，發(fā)現(xiàn)水噴丸強化后材料殘余壓應(yīng)力的分布與噴射壓力和彈丸尺寸有關(guān)[6]；上述研究均以平面試樣為對象，未能充分考慮試樣幾何特點對改性效果的影響，而且采用的材料硬度離齒輪等零件的要求有一定差距。筆者采用后混合水射流噴丸強化方式，研究其對圓棒試樣表層改性的效果。為了接近實際工況，選擇采用經(jīng)過滲碳熱處理并表面磨削后的齒輪鋼18CrNiMo7-6的硬態(tài)表面材料作為研究對象[7-8]。

1 試驗方案

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料為18CrNiMo7-6滲碳合金鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))如表1所示。所有試樣經(jīng)滲碳熱處理后進行統(tǒng)一的磨削處理。

高壓水射流發(fā)生裝置由南京大地三軸懸臂水刀切割數(shù)控機床DWJ1525-FC改裝而成，系統(tǒng)最大輸出壓力為400 MPa，最大流量為3.7 L/min，噴嘴最大移動速度為10 m/min。采用Bruker nano lnc三維表面形貌測量系統(tǒng)NPFLEX測定試樣的表面粗糙度Ra值，測量時選取沿軸線方向長條狀掃描，拼接面積為2 mm×0.6 mm。采用基恩士超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-2000E拍攝試樣表面二維形貌，選擇放大倍數(shù)為500X。采用HV-1000型顯微硬度計測定試樣的顯微硬度，每個試樣面測5個點，以其均值作為該面的顯微硬度測量值。殘余應(yīng)力的測量設(shè)備采用加拿大Proto高速大功率X射線殘應(yīng)力分析儀，測量時管電壓參數(shù)30 kV，管電流為25 mA，采用Cr靶輻射，F(xiàn)e(211)衍射，每個面測3個點，取其均值。采用電化學(xué)腐蝕方法對試樣進行逐步剝層，每次剝層深度20 μm左右，剝層深度通過千分表測量，剝層至200 μm深度時誤差在10 μm左右，從而進行顯微硬度及殘余應(yīng)力沿層深方向的測量。

表1 18CrNiMo7-6滲碳合金鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗方法

采用單因素法進行試驗，分別研究了試樣旋轉(zhuǎn)速度、噴嘴移動速度、泵壓力和處理次數(shù)對試樣表層改性的影響，試驗參數(shù)和試驗方案如表2和表3所示。其中丸粒流速根據(jù)測量每次試驗前后丸粒的質(zhì)量差，計算出單位時間內(nèi)用量。靶距即噴嘴距試樣表面的距離根據(jù)前期試驗結(jié)果來看，在一定范圍內(nèi)對試樣改性效果影響不大[8]，所以取定值，不再對其進行研究。

表2 試驗參數(shù)

表3 試驗方案

如圖1所示，試驗過程中將供丸裝置與水刀進砂口相連，在供丸裝置中放入適量的彈丸(彈丸直徑d=0.2 mm，材質(zhì)為410不銹鋼)，利用高壓水射流噴射時在混砂室內(nèi)產(chǎn)生的卷吸作用及彈丸自身重量使彈丸連續(xù)進入混砂室與高速水混合，獲取動能，并通過噴嘴形成高速彈丸射流噴射到試樣表面。水射流噴嘴軸線與圓棒試樣軸線垂直相交，并沿著試樣軸線移動，試樣由輸出軸端的彈性夾頭夾持，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而保證射流覆蓋整個圓柱面。

圖1 水射流改性方式及噴嘴結(jié)構(gòu)

當(dāng)試樣轉(zhuǎn)速一定，噴嘴移動速度過快會形成如圖2所示試樣表面未完全被射流覆蓋的情況。由于射流強化時靶距較小，為10 mm，射流在初始段[9-10]內(nèi)沖擊試樣，a的值約等于噴嘴直徑D，為1.5 mm。由此得出水射流對試樣圓柱面的覆蓋率為水射流強化面積與待強化圓柱面積的比值，即：

(1)

式中:S2為水射流強化面積；S1為試樣待強化圓柱面表面積；v1為試樣表面線速度，v=2πnr；t為強化時長；n為試樣旋轉(zhuǎn)速度；r為試樣半徑；L為試樣長度；v為噴嘴移動速度。當(dāng)C=1即v/n=a時，試樣表面可以被全覆蓋。

圖2 噴頭移動速度過快時試樣表面示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表面形貌與粗糙度

圖3所示為改性前后試樣表面形貌，(a)～(j)分別對應(yīng)試樣1～10。圖4所示為試樣粗糙度柱狀圖。試樣1為原始試樣，試樣2～10處理方式如表3所示。對比試樣2、3、4，在試樣表面強化覆蓋率為100%的條件下，試樣旋轉(zhuǎn)速度n越大，噴嘴沿試樣軸線移動速度v1同比增大，此時試樣表面線速度v遠大于v，這使得試樣表面粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，如圖4中試樣2、3、4所示。當(dāng)試樣旋轉(zhuǎn)速度一定，試樣表面粗糙度隨著噴嘴移動速度的增大而減小，如圖4中試樣5、6、2所示；但由于試樣2、6、5表面強化覆蓋率逐漸增大，由圖3也可看出，試樣表面磨削痕跡越來越少，因此粗糙度也逐漸增大。圖3中試樣7、8、2是不同泵壓力下水射流強化的表面，壓力越大，試樣表面磨削痕跡越少，沖蝕越嚴重，粗糙度越大。圖3中試樣2、9、10是不同強化處理次數(shù)下的試樣表面，隨著處理次數(shù)增加，試樣表面沖蝕愈加嚴重，粗糙度越大。

圖3 試樣改性前后表面形貌

圖4 試樣表面粗糙度

2.2 殘余應(yīng)力

圖5是試樣表層改性前后的殘余應(yīng)力沿深度變化的曲線，圖中殘余應(yīng)力均是沿深度增加先急劇增大后緩慢減小，呈勺子狀，且表層殘余應(yīng)力場深度達到200 μm以上。

圖5 殘余應(yīng)力沿試樣層深的變化

如圖5(a)試樣強化后表層殘余應(yīng)力值隨著試樣旋轉(zhuǎn)速度的增加而減小，殘余應(yīng)力最大值在距表面40 μm左右，在試樣轉(zhuǎn)速n=100、200、300 r/min時分別達到-1 013.13、-938.56、-734.38 MPa。

如圖5(b)，殘余應(yīng)力場深度隨著噴嘴移動速度的增大逐漸減小，殘余應(yīng)力最大值分別在噴嘴移動速度v=50、100 mm/min時達到-1 176.25、-1 098.31 MPa，且距表面的深度達到80 μm左右。

如圖5(c)，殘余應(yīng)力場深度隨著壓力的降低大幅下降，在壓力P=200 MPa時，殘余應(yīng)力的最大值在40 μm左右達到-923.35 MPa，P=100 MPa時殘余應(yīng)力的最大值在20 μm左右達到-657.95 MPa。

如圖5(d)，后混合水射流處理2次以上時使得殘余應(yīng)力場的深度略有加深，殘余應(yīng)力最大值的深度在處理次數(shù)N=2、3時分別增大至60、80 μm左右，達到-1023.35、-1079.33 MPa；盡管增加幅度較小，但是其達到最大值后殘余應(yīng)力數(shù)值減小的趨勢較為緩慢。綜上，試驗條件n=100 mm/min，v=50 mm/min，P=300 MPa，N=1，即試驗編號5時，試樣表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力的效果最好。

2.3 顯微硬度

試樣表層改性前后的硬度沿深度變化的曲線，其硬度值隨各因素變化趨勢與殘余應(yīng)力相同，硬度場深度也都在200 μm以上。在圖6(a)、(b)、(c)中可以看出，在距表面深度500 μm內(nèi)原始試樣的表層硬度值在60 HRC左右，改性后試樣表層硬度較原始試樣增加較大，但硬度最大值均出現(xiàn)在距表面40 μm左右。

圖6(a)中試樣表層硬度最大值在試樣轉(zhuǎn)速n=100、200、300 r/min時分別達到64.0、63.3、62.4 HRC，噴嘴移動速度分別減小為100、50 mm/min 時，如圖6(b)試樣表層硬度最大值達到64.6、65.2 HRC，而當(dāng)泵壓力減小為200、100 MPa時，如圖6(c)試樣表層硬度最大值減小為62.8、62.2 HRC，圖6(d)中硬度最大值在處理次數(shù)N=2、3時分別達到64.2、64.5 HRC，但是其距表面深度增加到60 μm左右，且下降趨勢相對較緩。綜上，在試樣編號5的試驗條件下，改性后試樣表層硬度更好。

2.4 分析與討論

如圖5(a)和圖6(a)所示，在滿足圓柱試樣表面100%強化覆蓋的條件下，試樣強化后的改性效果受試樣旋轉(zhuǎn)速度的影響較大。這是因為試樣旋轉(zhuǎn)速度增大會使得噴嘴相對試樣表面移動速度非常大。在水噴丸沖擊能力不變的情況下，高轉(zhuǎn)速下單位時間內(nèi)試樣表層受到的沖擊能量遠遠小于低轉(zhuǎn)速，因此試樣轉(zhuǎn)速越低，表層的改性效果越好。

同樣的，轉(zhuǎn)速相同時，噴嘴移動速度的變化也會影響試樣表層單位時間內(nèi)受到的沖擊能量。但是，移動速度的變化引起的噴嘴相對試樣表面移動速度變化幅度較小，因此試樣表層殘余應(yīng)力和硬度的增加幅度較小，如圖5(b)和圖6(b)所示。

根據(jù)泵的使用壓力強度特性，隨著泵壓力的增加，體積流量增加[10-11]。加壓后水與丸?；旌锨暗乃俣萚10]：

(2)

式中:P為泵壓力；ρw為高壓水的密度。由于高速水和管壁摩擦以及流體的壓縮等引起的壓力損失，從而降低速度系數(shù)η。在固體顆粒和空氣的混合加速期間，高速水射流能量的30%至70%被消散[11]。消散的能量包括高速水對混砂室的摩擦和沖擊、與空氣的混合等，這些能量取決于施加的壓力大小。隨著水射流速度的增加，能量轉(zhuǎn)移效率幾乎呈線性增加，但同時能量消散也逐漸增加，這使得在中等水射流速度下有最佳能量轉(zhuǎn)換[10]。因此，單純的增加后混合水射流的泵壓力并不能線性地增加試樣表層的改性效果。為了提

圖6 硬度沿試樣層深的變化

高能量的利用率，可以考慮采用前混合水射流強化方式。

后混合水射流對試樣表層改性，在強沖擊載荷作用下，材料會發(fā)生較大的塑性變形，沖擊能量所做的功大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅埽挥袠O小部分消耗于彈性能。停止后，由于沖擊區(qū)周圍材料的反作用，將在沖擊區(qū)中產(chǎn)生壓應(yīng)力[12]。后混合水射流的每次處理，新的沖擊能量均會影響試樣表層已有的殘余應(yīng)力場和硬度場，從而使得試樣表層殘余應(yīng)力場和硬度場隨著處理次數(shù)的增加而加深，試樣表面粗糙度增大。

3 結(jié)論

通過單因素試驗研究了后混合水射流噴丸對18CrNiMo7-6齒輪滲碳鋼圓棒試樣的表層改性工藝，得出以下結(jié)論：

(1)在保證后混合水射流對圓柱試樣表面的全覆蓋條件下，試樣表層的殘余應(yīng)力和硬度隨著試樣轉(zhuǎn)速增加而降低，隨著噴嘴移動速度的減小而增大，而試樣表面粗糙度與之相反，轉(zhuǎn)速最大n=100 r/min，移動速度最小v=50 mm/min時，粗糙度、殘余應(yīng)力和硬度達到最大值，分別為1.1 μm、-1 176.25 MPa、64HRC。

(2)隨著泵壓力的增加，后混合水射流的速度增加，試樣表面粗糙度、表層殘余應(yīng)力和硬度也隨之增加。但相應(yīng)的消散的能量也隨之增加，導(dǎo)致試樣表層的改性效果不能隨著壓力的增加而線性增加。

(3)后混合水射流對試樣表面的多次處理能夠加深試樣表層的殘余應(yīng)力場和硬度場，其中殘余應(yīng)力最大值在N=2、3時較1次處理分別增加1.01%、6.53%，達到-1 023.35、-1 079.33 MPa；同時也使得試樣表面粗糙度增加，但增加較少。