噴丸工藝對(duì)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(jī)電有限公司，蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 211100；3.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，蕪湖 241000)

0 引 言

噴丸強(qiáng)化通常利用彈丸高速撞擊材料，使得材料表面發(fā)生不均勻的塑性變形[1]，在材料表層會(huì)產(chǎn)生一定厚度的殘余壓應(yīng)力層，殘余壓應(yīng)力的存在可以提高裂紋的閉合能力，抑制裂紋擴(kuò)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(jiǎn)單且高效等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天以及汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5]。

噴丸強(qiáng)化可以分為濕噴丸強(qiáng)化和干噴丸強(qiáng)化。濕噴丸強(qiáng)化的介質(zhì)通常是丸料和液體按照一定比例混合的混合物，在噴丸過(guò)程中液體介質(zhì)起到潤(rùn)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(qiáng)化材料表面。彈丸離開材料表面后，材料內(nèi)部單元體還保留一部分塑性變形，材料嘗試將發(fā)生變形的單元體回復(fù)到噴丸處理前的形狀，于是產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。噴丸強(qiáng)化改變了零件被噴表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)，并引入表面殘余壓應(yīng)力，提高了零件的疲勞性能，其顯微組織也產(chǎn)生了一定的變化。李金魁等[7]根據(jù)斷口分析和應(yīng)力計(jì)算，提出了材料的內(nèi)部疲勞極限概念及相應(yīng)的強(qiáng)化機(jī)制，并建立了噴丸強(qiáng)化的綜合效應(yīng)理論。過(guò)大的表面粗糙度會(huì)使零件在工作中產(chǎn)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋繼而導(dǎo)致失效[8-10]。徐松超等[11]分別采用干噴丸、濕噴丸對(duì)TC17鈦合金表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，分析了噴丸強(qiáng)度對(duì)材料表層殘余應(yīng)力、顯微組織以及硬度的影響。陰曉寧等[12]研究發(fā)現(xiàn)，TC4鈦合金表面經(jīng)過(guò)濕噴丸后，表面的位錯(cuò)密度增加，晶粒發(fā)生破碎、細(xì)化，并且表面粗糙度顯著降低。陳國(guó)清等[13]研究發(fā)現(xiàn)，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(cuò)密度增加，晶粒細(xì)化，基面織構(gòu)由(100)向(101)轉(zhuǎn)變。李康等[14]研究發(fā)現(xiàn)，濕噴丸強(qiáng)化可使TC4鈦合金零件改性層內(nèi)的晶粒發(fā)生細(xì)化，表面存在的殘余壓應(yīng)力能夠很好地抑制裂紋的擴(kuò)展。

航空用螺母一般都在高壓力條件下服役，容易出現(xiàn)疲勞裂紋等失效現(xiàn)象，提高螺母疲勞壽命的方法通常是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，但在改進(jìn)工藝方面的研究較少。作者以1Cr11Ni2W2MoV鋼螺母為研究對(duì)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(duì)螺母表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，比較了不同噴丸工藝下螺母的表面殘余應(yīng)力、粗糙度、顯微組織。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象為1Cr11Ni2W2MoV鋼螺母，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)螺母表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(cè)試試驗(yàn)裝置對(duì)螺母表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置為小圓弧截面、大圓弧截面和直段截面，測(cè)試方向沿螺母的軸向方向，每個(gè)截面表面均取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，然后取平均值，測(cè)試部位如圖1所示。采用Mitutoyo SJ-4105型粗糙度儀測(cè)螺母的表面粗糙度Ra，測(cè)試位置為螺母小圓弧、大圓弧和直段表面，每個(gè)位置測(cè)8個(gè)點(diǎn)取平均值。采用線切割方法在螺母直段上截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、粗磨、細(xì)磨和精拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用IM300型光學(xué)顯微鏡觀察螺母表層和心部的顯微組織。

圖1 螺母殘余應(yīng)力的測(cè)試部位Fig.1 Residual stress test positions of nut

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力

由圖2可以看出：干噴丸下螺母不同位置的殘余應(yīng)力差距較大，濕噴丸下螺母表面的殘余壓應(yīng)力最大；不同噴丸工藝下螺母大圓弧截面的表面殘余壓應(yīng)力最大，小圓弧截面的表面殘余壓應(yīng)力最小。濕噴丸下螺母表面殘余壓應(yīng)力最大值位于大圓弧截面，達(dá)到550 MPa。噴丸角度為90°時(shí)，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(yīng)力較??；而大圓弧截面的圓弧段在結(jié)構(gòu)上朝噴嘴方向突出，彈丸更容易擊打在相對(duì)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(yīng)力較大。材料表面被彈丸不間斷撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生不均勻的塑性變形，材料表層晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)密度變大。在濕噴丸強(qiáng)化中，螺母表面不僅受到彈丸的撞擊作用，同時(shí)液體介質(zhì)對(duì)于螺母表面的沖擊作用也會(huì)使其表面發(fā)生塑性變形，在彈丸與介質(zhì)的共同作用下表面的殘余壓應(yīng)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(yīng)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(dāng)陶瓷丸撞擊在螺母表面時(shí)，螺母表面不斷形成凸起和凹坑，導(dǎo)致表面凹凸不平，表面粗糙度增大；在濕噴丸中，當(dāng)彈丸和液體的混合物撞擊螺母表面時(shí)，液體介質(zhì)在螺母表面可以形成一層液體膜，起到潤(rùn)滑作用，大大降低表面粗糙度。噴丸角度為90°時(shí)，在有液體介質(zhì)的潤(rùn)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(jié)構(gòu)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(guò)大的粗糙度會(huì)導(dǎo)致零件在工作中因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，因此僅對(duì)先干噴丸后濕噴丸與濕噴丸下的顯微組織進(jìn)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(xiàn)破碎和細(xì)化，這是因?yàn)閲娡鑿?qiáng)化使螺母表層發(fā)生較大的塑性變形，導(dǎo)致外層晶粒得到明顯細(xì)化，而心部晶粒未發(fā)生變化，螺母表面形成了0.25 mm深的殘余壓應(yīng)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(xì)化層深度較淺，形成的殘余壓應(yīng)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(yīng)力層后，濕噴丸階段僅對(duì)其表面粗糙度進(jìn)行修正光飾，而在濕噴丸工藝全程有液體介質(zhì)的條件下，強(qiáng)化所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)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(jié) 論

(1) 干噴丸后螺母的表面殘余壓應(yīng)力最小，濕噴丸后的殘余壓應(yīng)力最大，且濕噴丸后螺母的最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在大圓弧截面處，達(dá)到550 MPa，而先干噴丸后濕噴丸后螺母表面殘余壓應(yīng)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(qiáng)化使螺母表層晶粒破碎而得到明顯細(xì)化，心部組織未發(fā)生變化。先干噴丸后濕噴丸后螺母表面殘余壓應(yīng)力層深度為0.25 mm，而濕噴丸后殘余壓應(yīng)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(duì)螺母進(jìn)行強(qiáng)化處理。