拋射速度對鋼絲切丸鈍化強(qiáng)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(qiáng)化工藝最常用的金屬磨料，廣泛用于強(qiáng)化汽車、航空航天、機(jī)車、風(fēng)電、工程機(jī)械等行業(yè)中承受交變應(yīng)力作用的零部件，其內(nèi)部無氣孔、疏松、偏析等缺陷，粒度分布均勻，能在強(qiáng)化零部件表面的同時(shí)引入較大的殘余壓應(yīng)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(jù)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(jīng)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(shí)棱角與傳動(dòng)零部件碰撞，容易劃傷傳動(dòng)零部件表面，形成潛在的疲勞裂紋源，因此應(yīng)避免使用帶棱角的鋼絲切丸。在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)大量使用鈍化的去棱角、磨角鋼絲切丸，一般采用拋丸機(jī)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(dá)到規(guī)定的粒度和圓度要求。拋丸速度是影響鋼絲切丸鈍化強(qiáng)化的關(guān)鍵因素之一[4,5]。

鈍化處理的鋼絲切丸具有良好的綜合機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)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(diǎn)。利用ERVIN 壽命試驗(yàn)機(jī)模擬拋噴丸強(qiáng)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(qiáng)化處理的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

ERVIN 壽命試驗(yàn)機(jī)主要由大小電機(jī)、投擲裝置、撞擊靶面、再循環(huán)裝置等部分組成，并且繞著同一個(gè)中心線旋轉(zhuǎn)。其工作原理為模仿噴拋丸機(jī)器設(shè)計(jì)，給鑄鋼丸一個(gè)初始速度撞擊硬度較高的靶材，實(shí)現(xiàn)噴拋模擬，其中投擲裝置的轉(zhuǎn)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(yàn)機(jī)的主要參數(shù)，其數(shù)值的大小直接影響著鑄鋼丸的歐文壽命。歐文壽命試驗(yàn)機(jī)的工作過程如下：將鑄鋼丸從進(jìn)料口處倒入裝置內(nèi)，投擲裝置在攪拌軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)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(diǎn)；再循環(huán)裝置和撞擊靶材由小電機(jī)帶動(dòng)低速旋轉(zhuǎn)，落在最低點(diǎn)的鑄鋼丸由再循環(huán)裝置帶動(dòng)到高處，完成一次循環(huán)。用一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。一圈表示機(jī)器通過轉(zhuǎn)輪完整的過程。達(dá)到預(yù)設(shè)的圈數(shù)后，機(jī)器自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[6，7]。歐文壽命試驗(yàn)機(jī)拋射速度約為61m/s，而拋丸機(jī)拋射速度一般為70m/s，所以利用ERVIN 壽命試驗(yàn)機(jī)模擬拋丸機(jī)鈍化強(qiáng)化鋼絲切丸時(shí)，需要利用變頻器調(diào)節(jié)壽命機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制拋射速度，變頻器頻率與拋射速度對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

試驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行：

（1）調(diào)節(jié)變頻器為相應(yīng)的頻率，分別設(shè)定壽命機(jī)回轉(zhuǎn)圈數(shù)為30、60 和90；

（2）取100g 規(guī)格為1.0mm 的鋼絲切丸，利用歐文壽命試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)，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(yàn)所用碳鋼絲性能如表2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

鋼絲切丸外觀形貌，參照 JB/T 8354.1-2013 來進(jìn)行判斷[8]，相關(guān)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(qiáng)化過程中損失量越來越多；在一定條件下，隨著回轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，鋼絲切丸鈍化強(qiáng)化過程中損失量越來越多。當(dāng)拋射速度達(dá)到85m/s，回轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到90 圈時(shí)，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(zhuǎn)圈數(shù)越多，鋼絲切丸越接近于球形，越接近于G3 研磨丸。當(dāng)回轉(zhuǎn)圈數(shù)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(wěn)定強(qiáng)化研磨丸，說明拋射速度及回轉(zhuǎn)圈數(shù)與鋼絲切丸鈍化強(qiáng)化效果呈正相關(guān)關(guān)系。

表1 頻率與拋射速度對應(yīng)關(guān)系

表2 碳鋼絲性能指標(biāo)

表3 不同拋射速度下鋼絲切丸性能指標(biāo)

圖1 不同拋射速度及回轉(zhuǎn)圈數(shù)研磨丸鏡下外觀形貌

統(tǒng)計(jì)不同回轉(zhuǎn)圈數(shù)、不同拋射速度情況下，鈍化強(qiáng)化研磨丸硬度，如圖2 所示。

圖2 不同拋射速度及回轉(zhuǎn)圈數(shù)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(qiáng)化鋼丸硬度基本上逐漸增加。在一定條件下，隨著回轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，強(qiáng)化鋼丸的硬度逐漸增加。當(dāng)拋射速度達(dá)到85m/s，回轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到90 圈時(shí)，強(qiáng)化鋼丸硬度可以達(dá)到50HRC 左右。

3 結(jié)論

（1）在一定的條件下，隨著拋射速度及回轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，鋼絲切丸鈍化強(qiáng)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(dāng)拋射速度達(dá)到85m/s，回轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到90 圈時(shí)，損失量超過5%。當(dāng)回轉(zhuǎn)圈數(shù)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(wěn)定的強(qiáng)化研磨丸。拋射速度及回轉(zhuǎn)圈數(shù)與鋼絲切丸鈍化強(qiáng)化效果呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）在一定條件下，隨著拋射速度和回轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，強(qiáng)化鋼丸硬度基本上逐漸增加。當(dāng)拋射速度達(dá)到85m/s，回轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到90 圈時(shí)，強(qiáng)化鋼丸硬度可以達(dá)到50HRC 左右。