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水射流喷丸处理对20CrMnTi钢表面性能的影响

标签: 日期:2018/8/11 14:18:44
    要:

采用超高压数控水射流设备对20Cr Mn Ti钢表面进行水喷丸处理, 研究不同水压、靶距和喷嘴移动速度对其表面形貌、表面粗糙度、残余应力和硬度梯度的影响。结果显示, 经高压水喷丸处理后的20Cr Mn Ti试样, 其表面粗糙度值增加不明显, 表面残余应力和硬度有很大提高, 能有效改善材料的表面性能。

高压水喷丸强化是金属表面强化的新方法, 即利用在水中的高压水射流所产生的气穴效应打击金属零件表面, 从而对零件进行表面强化的工艺表1 试验用钢的化学成分 (质量分数, %) Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction, %)   。这种表面强化的目的就是在于改善材料的表面性能, 进而提高其疲劳强度[2-5]

董星等表3 20Cr Mn Ti钢在不同水喷丸参数处理下的表面残余应力值Table 3 Surface residual stress of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters  用纯水射流对2A11铝合金和45钢表面进行了喷丸强化, 结果表明纯水射流喷丸明显提高2A11铝合金和45钢的表面显微硬度、残余压应力及疲劳寿命。杨林等[7-10]运用高压水喷丸技术也对金属表面进行了研究, 结果显示经过高压水喷丸后的材料表面性能要比传统纯水射流强。王军等[11]的研究表明水射流的工艺参数较多, 且各参数和材料表面粗糙度的关系复杂, 合理选取水射流参数 (水压力、进给速度和靶距) 对金属表面改性有很大影响。本文采用超高压数控水射流设备控制水压、靶距、喷嘴移动速度3个参数对20Cr Mn Ti进行纯水喷丸处理, 研究不同水压、靶距和喷嘴移动速度对表面形貌、表面粗糙度、残余应力和硬度梯度的影响, 对20Cr Mn Ti钢进行表面改性, 为后期的渗碳工艺做准备。

1 试验材料与方法

试验材料为尺寸5.5 cm×1.0 cm×0.6 cm的20Cr Mn Ti钢条, 通过TASMAN全谱直读电火花光谱仪测得试样的化学成分如表1所示。

表1 试验用钢的化学成分 (质量分数, %) Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction, %)   

表1 试验用钢的化学成分 (质量分数, %) Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction, %)

把原始试样在MXL (Z) -05气氛箱式电阻炉中进行淬火+回火热处理。热处理工艺为900℃保温1 h, 水冷, 200℃回火2 h。

采用SQ1313型高压纯水喷丸设备对20Cr Mn Ti钢试样表面进行处理。结合相关文献[12-17]并经过优化的工艺如表2所示。整体思路是对3个试验参数实行控制变量法, 采用单一变量原则。

表2 试验工艺设计Table 2 Experimental process design

[1]

用数控线切割机从20Cr Mn Ti原材料上取样并磨制抛光后, 用饱和苦味酸溶液腐蚀, 制成金相试样, 用XD3OM倒置式光学显微镜观察其显微组织。使用X-350A射线应力衍射仪上采用Cr Kα靶分析残余应力, 使用NDT150型表面粗糙仪测量表面粗糙度, 用HVS-1000型显微硬度计测定硬度, 使用载荷为100 N。

2 结果与讨论

2.1 水喷丸对试样表面形貌的影响

2.1.1 水压

图1是20Cr Mn Ti钢在不同水压下喷丸处理的表面形貌图。在100 MPa水压下喷丸, 其表面形貌没有明显的变化, 但可以看到其表面有些明显的纹理和棱角, 说明高压水喷丸对其有一定的冲蚀作用, 使其表面粗糙度略有增加, 但表层没有观察到晶界以及晶粒组织, 说明高压水射流的冲蚀作用不明显。在水压为200 MPa时, 可明显地看到20Cr Mn Ti钢表层晶界及晶粒组织, 冲蚀坑很少, 说明水压对其表面的粗糙度影响不大, 强化效果较好, 有利于提高材料的疲劳强度。使用300 MPa水压时, 20Cr Mn Ti钢表层可看到有明显冲蚀的凹坑, 说明表面粗糙度增大。

2.1.2 靶距

图2是20Cr Mn Ti钢在不同靶距下水喷丸处理的表面形貌图, 从图2可以看出, 随着靶距的增大, 其表面存在的晶界及晶粒组织越不明显, 且冲蚀坑减少, 表面粗糙度降低。在靶距为5 mm时, 存在明显的晶界及晶粒组织, 说明冲蚀作用较强, 表面粗糙度较大;在靶距为20 mm时, 晶界及晶粒度不是很明显, 水射流的冲蚀作用减弱, 表面粗糙度较小;随着靶距的进一步增大, 在靶距为30 mm时, 晶界和晶粒度更加不明显, 表面粗糙度更小。

2.1.3 喷嘴移动速度

图3是20Cr Mn Ti钢在不同移速下水喷丸处理的表面形貌。从图3可以看出, 移速在200 mm/min时, 可看到明显的冲蚀坑, 且数量较多, 表面粗糙度较大;随着移速的增大, 晶界和晶粒组织变得模糊, 说明水射流冲蚀作用减弱, 表面粗糙度降低。

2.2 水喷丸对试样表面粗糙度的影响

表面粗糙度是指加工材料表面微观几何形状误差, 是材料表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度[14-15]。材料的表面粗糙度越小则表明其表面越光滑。表面粗糙度的大小直接关系着耐磨性、疲劳强度、与机械零件的配合性质以及振动和噪声等, 对机械零构件的使用寿命和可靠性有重要影响。

图1 20Cr Mn Ti钢在不同水压下喷丸处理的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different water pressures (a) 原始样 (original) ; (b) 100 MPa; (c) 200 MPa; (d) 300 MPa

图1 20Cr Mn Ti钢在不同水压下喷丸处理的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different water pressures (a) 原始样 (original) ; (b) 100 MPa; (c) 200 MPa; (d) 300 MPa 

图2 20Cr Mn Ti钢在不同靶距下喷丸处理的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different target distances (a) 原始样 (original) ; (b) 5 mm; (c) 20 mm; (d) 30 mm

图2 20Cr Mn Ti钢在不同靶距下喷丸处理的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different target distances (a) 原始样 (original) ; (b) 5 mm; (c) 20 mm; (d) 30 mm

本试验采用表面粗糙度测量仪测量水喷丸处理的20Cr Mn Ti钢表面粗糙度值, 采取在垂直于喷嘴移动方向和平行于喷嘴移动方向测不同的3点取其平均值, 记录数据。图4 (a) 是在靶距20 mm, 移速400 mm/min时改变水压 (100~300 MPa) 对20Cr Mn Ti钢进行高压水喷丸处理表面粗糙度折线图, 可以明显地看出, 随着水压的增加, 表面粗糙度呈现增长的趋势;且注意到, 原始试样的表面粗糙度值只有0.12μm, 在100 MPa水压喷丸处理下表面粗糙度只有0.08μm的增加, 在200 MPa时, 其粗糙度值有进一步增加, 但增加值不大, 只有约0.1μm, 但随着水压增加到300 MPa时, 其表面粗糙度值有明显增大, 达到1.4μm左右。随着水压的不断增加, 表面粗糙度值呈增长趋势, 且水压越大, 其表面粗糙度值增加幅度越大、越明显。图4 (b) 是在水压200 MPa, 移速400 mm/min时改变靶距, 对20Cr Mn Ti进行喷丸处理的表面粗糙度折线图, 可以看出, 随着喷丸靶距的增加, 材料的表面粗糙度值逐渐减小, 且随着靶距进一步增加, 其表面粗糙度值接近原始试样。随着靶距的不断增加, 在水射流喷丸过程中, 水射流经历的路程变大, 能量损失变大, 使得冲击到材料表面水射流能量减少, 进而水射流对材料表面的冲蚀能力减弱, 以致材料表面粗糙度不再发生明显变化。图4 (c) 是在水压200 MPa靶距20 mm时, 分别在不同喷嘴移动速度下对20Cr Mn Ti钢进行喷丸处理的表面粗糙度折线图, 可以看出, 随着喷嘴移动速度的增加, 材料的表面粗糙度值减小, 且减小幅度增加, 逐渐趋于原始表面粗糙度值0.12μm。出现这种现象的原因在于, 移速增大, 使得水射流在撞击到材料表面之前能量损失增大, 因而作用于材料表面的冲蚀能力减弱, 材料表面粗糙度变化显得不明显。

图3 20Cr Mn Ti在不同喷嘴移动速度下水喷丸处理的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different nozzle speeds (a) 原始样 (original) ; (b) 200 mm/min; (c) 400 mm/min; (d) 600 mm/min

图3 20Cr Mn Ti在不同喷嘴移动速度下水喷丸处理的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different nozzle speeds (a) 原始样 (original) ; (b) 200 mm/min; (c) 400 mm/min; (d) 600 mm/min

图4 不同水喷丸参数处理20Cr Mn Ti钢的表面粗糙度 (a) 水压; (b) 靶距; (c) 喷嘴移动速度Fig.4 Surface roughness of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters (a) water pressure; (b) target distance; (c) nozzle speed

图4 不同水喷丸参数处理20Cr Mn Ti钢的表面粗糙度 (a) 水压; (b) 靶距; (c) 喷嘴移动速度Fig.4 Surface roughness of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters (a) water pressure; (b) target distance; (c) nozzle speed

2.3 水喷丸对试样表面完整性的影响

2.3.1 水喷丸对试样表面残余压应力的影响

20Cr Mn Ti钢试样水喷丸处理表面的残余应力如表3所示。

表3 20Cr Mn Ti钢在不同水喷丸参数处理下的表面残余应力值Table 3 Surface residual stress of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters  

[6]

原始试样的表面残余压应力的平均值为-93.4 MPa, 由表3可知在靶距为20 mm, 移速为400 mm/min时, 在不同水压下对20Cr Mn Ti钢进行喷丸强化处理后的试样表面残余压应力值有大幅度的提高。随着水压的增加, 表面残余压应力呈现先增加后减小的趋势, 在水压100 MPa下, 其表面残余压应力达到-469.4 MPa, 相比未喷丸前, 有了大幅度的提高;在水压约200 MPa时, 表面残余压应力达到最大值约-485 MPa, 是为喷丸前的5倍左右, 随着水压的继续增加, 表面残余压应力不断减小。在水压为200 MPa, 移速为400 mm/min时, 在不同靶距下对20Cr Mn Ti钢进行喷丸强化处理, 在靶距只有5 mm时, 其表面残余压应力达到近-520 MPa, 随着靶距的增加, 表面残余压应力值不断减小, 且减小的幅度也不断减小, 逐渐趋于材料的原有残余压应力值。在靶距为5 mm, 水压为200 MPa时, 在不同移速下对20Cr Mn Ti钢进行喷丸强化处理, 随着移速的增加, 表面残余压应力呈现先增大后减小的趋势;在移速约400 mm/min时, 其残余压应力值最大, 达到约-500 MPa。

2.3.2 水喷丸对试样表面硬度梯度的影响

不同水喷丸参数处理20Cr Mn Ti钢的表面硬度如图5所示, 未进行水喷丸强化的试样, 其表面显微硬度较低, 在距表面30μm处, 其硬度值只有约250 HV10, 而随着距离表面的距离的增加, 其值逐渐增大, 在180μm的距离后, 硬度值趋于稳定, 在450~460 HV10;原始试样的洛氏硬度值在45.5~46.0 HRC, 其显微硬度值在450~460 HV10范围, 但表面显微硬度明显低, 说明材料在热处理过程中表层存在严重的脱碳现象;从图5 (a) 可以看出, 在不同水压下处理的20 Cr Mn Ti钢试样, 其表面显微硬度都有明显的增加, 有150~200 HV10的增加, 随着喷丸水压的增大, 其表面硬度呈增大趋势, 且随着距离表面距离的增加, 表面硬度呈现先增大后减小的规律。从图5 (b) 可以看出, 在不同靶距处理下, 20Cr Mn Ti试样的表面显微硬度均有明显增加, 且随着靶距的增大, 表面硬度增加幅度减小, 随着距表面距离的增加, 表面硬度先增大后减小, 最后逐渐趋于稳定。从图5 (c) 可以看出, 在不同移速下进行高压水喷丸强化的20Cr Mn Ti试样, 其表面显微硬度均有不同程度的提高, 在移速200 mm/min下处理, 其表面硬度明显增加, 随着移速的增大, 表面硬度增加幅度减小;另外, 随着距表面距离的增加, 20Cr Mn Ti钢的表面硬度呈现先增加后减小的规律。

表3 20Cr Mn Ti钢在不同水喷丸参数处理下的表面残余应力值Table 3 Surface residual stress of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters

图5 不同水喷丸参数处理20Cr Mn Ti钢的表面硬度 (a) 水压; (b) 靶距; (c) 喷嘴移动速度Fig.5 Surface hardness of the 20Cr Mn Ti steel treated by water shot peening with different parameters (a) water pressure; (b) target distance; (c) nozzle speed

3 结论

1) 对20Cr Mn Ti钢进行高压水喷丸处理, 其表面形貌有不同程度的变化, 当压力在200 MPa, 移速400 mm/min, 靶距20 mm时, 材料表面有比较明显的强化效果, 且表面质量最好;随着压力增加, 靶距和移速减小, 高压水射流对材料的冲蚀作用增强, 材料表面出现明显的冲蚀坑, 强化效果减弱。

2) 高压水喷丸处理对20Cr Mn Ti钢表面粗糙度的影响规律是:表面粗糙度随着喷丸水压的增加而增大, 随着靶距和移速的增加而减小, 并且经水喷丸处理后其表面粗糙度值增加不大, 最大值为1.5μm, 这样就减少了应力集中, 为渗碳工艺提供了有利条件。

3) 高压水喷丸强化能够显著提高20Cr Mn Ti钢的表面残余压应力, 且残余压应力值随着水压和移速的增大而先增大后减小, 随着靶距的增大逐渐减小, 趋于材料原有硬度值;在水压200 MPa, 移速400 mm/min, 靶距5 mm时, 材料的表面残余压应力最大, 强化效果最好。

4) 高压水喷丸强化能够有效提高20Cr Mn Ti钢的表面硬度, 硬化层厚度增大, 且表面硬度随着水压的增大而增大, 随着靶距和移速的增大而逐渐减小。

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