噴丸工藝參數(shù)對H13 鋼表面質(zhì)量的影響

張銀霞，王天祥，郜 偉，劉治華

（1.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.駐馬店中集華駿車輛有限公司，河南 駐馬店 463000）

1 引言

H13 鋼具有較高的紅硬性、沖擊韌性，是目前廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼[1]。H13 鋼作為TBM 刀圈的材料，在滾刀工作過程中，受周期力的作用，刀圈材料會發(fā)生疲勞磨損[2]。噴丸是一種通過丸粒流沖擊材料表面的典型的冷加工方式。通過丸粒的不斷沖擊，不僅使得表層組織得到細(xì)化，劇烈的塑性變形使材料在表面形成硬化層[3]，材料的耐磨性得到提升[4]，同時(shí)在材料表層形成殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)材料的疲勞強(qiáng)度，延長材料的壽命[5]，與刀圈材料高耐磨性的要求契合。但是，噴丸工藝在提高材料的疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，會增加材料表面粗糙度；噴丸參數(shù)選用不當(dāng)，出現(xiàn)過噴，造成材料表面脫層，給材料帶來不可彌補(bǔ)的缺陷，甚至造成反作用。很多零件的裂紋于零件表面產(chǎn)生[6]，表面硬度、表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度等是表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此，研究噴丸工藝參數(shù)對表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律極為重要。

通過單因素的試驗(yàn)方法，研究噴丸工藝參數(shù)對H13 鋼材料表面粗糙度、表層硬度、表層殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律，從而為H13鋼的噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化提供實(shí)際支持。

2 試驗(yàn)方案

2.1 噴丸試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用TBM 刀圈材料H13 模具鋼，采用能譜檢測儀（Oxford AztecX-Max20）測得H13 的材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.38C，0.94Si，0.40Mn，0.027P，0.018S，5.04Cr，1.31Mo，1.01V。材料經(jīng)過淬火和回火處理，淬火介質(zhì)為LT-23 淬火油，回火冷卻方式為空冷。先淬火：加熱到600℃保溫50min，850℃保溫70min，1020℃保溫65min，之后回火兩次，第一次520℃保溫2h，第二次530℃保溫2h。噴丸試樣大小為（15×15×30）mm，經(jīng)磨床磨削后進(jìn)行噴丸處理。噴丸處理采用轉(zhuǎn)臺式噴丸機(jī)，鋼丸CCW230/0.6mm，設(shè)備參數(shù)設(shè)定：鋼丸流量：（5～10）kg/min，機(jī)械手臂速度：40n/min，使用噴嘴數(shù)1 個（Die.8mm，文丘里噴嘴）。

實(shí)際加工中噴丸參數(shù)主要有噴丸壓力，噴丸角度，覆蓋率等。用不同的噴丸壓力，噴丸角度對H13 鋼進(jìn)行強(qiáng)化。噴丸試驗(yàn)參數(shù)表，如表1 所示。

表1 噴丸試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Process Parameters of Shot Peening Test

2.2 表面質(zhì)量檢測方案

對噴丸處理前后試樣表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力等進(jìn)行檢測。表面粗糙度采用三維表面形貌測量系統(tǒng)NPFLEX 進(jìn)行測量。采用HV-1000 型顯微硬度計(jì)測量表面硬度，載荷為1N，保載時(shí)間為15s，每個試樣測5 次，取平均值；截面硬度檢測采用電解拋光機(jī)PLLIDHRT 8818 V-3 對噴丸試件進(jìn)行拋光，每隔（20～40）μm進(jìn)行剖層，從而測量深度方向的硬度。殘余應(yīng)力采用Proto 公司的大功率分析儀ProtoLDR 標(biāo)準(zhǔn)型進(jìn)行檢測，具體參數(shù)為：Cr-Kα的X射線管，管電流為25mA，管電壓為30kV，衍射角為2θ=156.4°，測量精度在±30MPa。用電解拋光機(jī)對噴丸試件進(jìn)行拋光，每隔（30～50）μm 進(jìn)行剖層，每層測4 個點(diǎn)取平均值。將H13 鋼試樣切開，經(jīng)過磨削，硝酸酒精溶液腐蝕，利用超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-2000E 對H13 鋼試樣橫截面形貌進(jìn)行觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 對硬度的影響

對比圖1（a）中試樣4 與未噴丸試樣表層硬度的變化規(guī)律，硬度沿深度方向變化不大，未噴丸試樣的硬度為54.5HRC；試驗(yàn)4 表面硬度為59.4HRC，比未噴丸試樣提高4.9HRC，在300μm范圍內(nèi)，硬度從59.4HRC 減小到54.5HRC，逐漸趨于穩(wěn)定。在深度為240μm，硬度基本維持不變，和未噴丸試樣一致，說明已到基體部分。不同噴丸角度下，H13 鋼表面硬度相較于原始試樣增大3 到5HRC。噴丸角度由（45～90）°，表面強(qiáng)化層由170μm 上升到220μm，表面硬度變化不大。噴丸角度增大，沿垂直方向的速度分量增大，動能變大，冷作硬化現(xiàn)象越明顯，材料的耐磨性也得到提升。對比75°和90°，兩種噴丸角度下，硬度曲線逐漸趨于一致，噴丸角度大于75°，角度對H13 鋼表層的硬度影響減小。H13鋼表層硬度隨著噴丸壓力的變化規(guī)律，如圖1（b）所示。噴丸壓力從0.2MPa 增大到0.55MPa 時(shí)，試樣表面硬度從57.7 增加到60HRC，提高約2.3HRC，比未噴丸試樣提高4.5HRC；噴丸硬化層深度由180μm 提高到240μm，增大60μm。隨著噴丸壓力的增加，表面的硬度和強(qiáng)化層深度明顯地增大并逐漸趨于穩(wěn)定。H13鋼表面的壓力與噴丸引起材料的變形程度有關(guān)[7]。

圖1 不同噴丸工藝下硬度沿深度的變化Fig.1 The Change of Hardness Along Depth Under Different Shot Peening Process

3.2 對殘余應(yīng)力的影響

對比圖2 中噴丸前試樣和噴丸試樣4 表面殘余應(yīng)力，原試樣表層存在殘余拉應(yīng)力，沿著表面的深度先增大后減小逐漸趨于穩(wěn)定。噴丸后H13 鋼表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于未噴丸材料的殘余拉應(yīng)力，隨著深度的增大，殘余壓應(yīng)力由原來的595.8MPa增大到最大殘余壓應(yīng)力1182.57MPa，然后殘余壓應(yīng)力逐漸減小，深度在450μm 左右。因此，通過噴丸，試樣表面有殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生，且呈U 型分布，在受載過程中，通過殘余壓應(yīng)力與載荷引起的拉應(yīng)力相互作用，使得材料表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力往材料次表層延伸，減緩材料表面裂紋的產(chǎn)生，增強(qiáng)H13 鋼的疲勞強(qiáng)度。

噴丸角度對H13 鋼殘余應(yīng)力的影響規(guī)律曲線，如圖2、圖3所示。噴丸角度從（45～90）°，殘余應(yīng)力隨著深度的變化趨勢不變，殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加。殘余壓應(yīng)力比較重要的幾個參數(shù)有：表面殘余壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力深度和最大殘余壓應(yīng)力深度[6]，如表2 所示。結(jié)合表2 可知，隨著噴丸角度的增大，表面殘余應(yīng)力提高102.14MPa；最大殘余壓應(yīng)力提高92.99MPa；最大殘余壓應(yīng)力深度向下延伸深度為85μm；殘余壓應(yīng)力深度提高120μm。隨著噴丸角度的增大，垂直試樣的方向速度的分量增大，丸粒的動能變大，因而殘余壓應(yīng)力各個指標(biāo)得到一定的提升。因此，在實(shí)際噴丸時(shí)，應(yīng)使噴嘴垂直噴射。

圖2 不同噴丸角度下H13 鋼殘余應(yīng)力沿深度的變化Fig.2 The Variation of Residual Stress Along the Depth of H13 Steel at Different Shot Peening Angles

圖3 不同噴丸壓力下H13 鋼殘余應(yīng)力沿深度的變化Fig.3 The Variation of Rresidual Stress Along the Depth of H13 Steel Under Different Shot Peening Pressure

表2 不同噴丸角度下殘余應(yīng)力各指標(biāo)數(shù)值Tab.2 Numerical Value of Residual Stress at Different Angle of Shot Peening

噴丸壓力從（0.2～0.55）MPa，H13 鋼殘余應(yīng)力沿深度的變化，如表3 所示。表3 為噴丸壓力對比較重要的幾個殘余應(yīng)力參數(shù)的具體值，結(jié)合表3 可知，最噴丸壓力從0.2MPa 到0.55MPa，表面殘余壓應(yīng)力提高231.31MPa，最大殘余壓應(yīng)力提高6.67MPa，最大殘余壓應(yīng)力深度沿深度方向下降100μm，殘余壓應(yīng)力深度增加55μm。最大殘余壓應(yīng)力值變化不大，最大殘余壓應(yīng)力值和H13 鋼的應(yīng)力應(yīng)變飽和曲線上的屈服強(qiáng)度有關(guān)，和材料本身的材料屬性有關(guān)，殘余壓應(yīng)力達(dá)到飽和值時(shí)，它就穩(wěn)定在飽和值附近[10]。表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力深度有明顯的提升。對比噴丸壓力為0.5MPa和0.55MPa，殘余應(yīng)力變化趨于一致，H13 鋼吸收的能量趨于飽和[9]。由式可知，式中：vG—噴嘴輸出的氣流速度，約為344m/s；ρG—噴嘴輸出空氣密度，kg/mm3；vt—噴嘴輸出氣流中彈丸速度，m/s；d—丸粒直徑，mm；t—丸粒從噴嘴射出到試樣表面所用時(shí)間；ρ—彈丸的密度，kg/mm3；p0，ρ0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)及大氣壓強(qiáng)下的密度；p、ρ—工作氣壓及工作氣壓下的密度。噴丸壓力增大，速度隨之增大，丸粒會產(chǎn)生更大的動能。因此，試樣表面的殘余壓應(yīng)力隨著壓力的增大而增大。

表3 不同噴丸壓力下殘余應(yīng)力各指標(biāo)數(shù)值Tab.3 Numerical Value of Residual Stress at Different Angle of Shot Peening

3.3 對表面粗糙度的影響

不同噴丸壓力下H13 鋼的三維形貌，如圖4 所示，噴丸壓力越大，彈坑深度和直徑越大，表示試樣表面變形愈強(qiáng)烈。未噴丸試樣粗糙度為0.816μm，噴丸壓力從0.2MPa 增加到0.55MPa 時(shí)，H13 鋼粗糙度增大0.404μm。因此，應(yīng)選擇合適的噴丸壓力，避免H13 鋼表面粗糙度過大，甚至造成脫層等破壞材料表面的現(xiàn)象[10]。

圖4 不同噴丸壓力下H13 鋼三維形貌Fig.4 Three Dimensional Morphology of H13 Steel Under Different Shot Peening Pressure

不同的噴丸角度下H13 鋼表面的三維形貌，如圖5 所示。噴丸角度為90°時(shí)，H13 鋼表面的粗糙度為最大值1.298μm；噴丸角度為45°時(shí)，粗糙度最小值為0.949μm。當(dāng)噴丸角度為（45～90）°時(shí)，粗糙度隨著噴丸角度的增大而增大。當(dāng)噴丸角度較時(shí)，一方面，垂直材料方向的速度分量較小，使得材料表面產(chǎn)生彈坑較小，另一方面，丸粒橫向速度分量較大，對材料有一定的研磨作用，因此，試樣表面粗糙度較小。當(dāng)噴丸角度較大時(shí)，隨著噴丸角度的增大，橫向速度變小，垂直材料表面的速度增大，彈坑的直徑和深度增加，材料表面的變形隨之增大，粗糙度變大。文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力層深較大而粗糙度較大的試樣比殘余應(yīng)力層深較淺的試樣疲勞壽命小。因此，噴丸工藝參數(shù)的選擇應(yīng)結(jié)合粗糙度的變化規(guī)律。

圖5 不同噴丸角度下H13 鋼三維形貌Fig.5 Three Dimensional Morphology of H13 Steel at Different Shot Peening Angles

4 截面形貌

不同H13 鋼試樣的橫截面形貌，如圖6 所示。

圖6 不同H13 鋼試樣的橫截面形貌Fig.6 The Cross Section Morphology of Different H13 Steel Specimens

5 結(jié)論

針對噴丸工藝的特征，對不同噴丸壓力與噴丸角度下H13鋼表面的硬度，殘余應(yīng)力，粗糙度的影響規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)合試驗(yàn)分析表明：

（1）通過引入噴丸，H13 鋼表面產(chǎn)生硬化層，當(dāng)噴丸壓力為0.5MPa，噴丸角度為90°，覆蓋率為400%時(shí)硬度提高到60HRC，形成0.3mm 的硬化層深度。隨著噴丸壓力和噴丸角度的增大，H13 鋼表面硬度增大。

（2）噴丸在H13 鋼表層引入殘余壓應(yīng)力層，隨著噴丸壓力的增加，H13 鋼殘余壓應(yīng)力場增強(qiáng)。當(dāng)噴丸壓力增大到0.5MPa 時(shí)基本趨于穩(wěn)定，在0.55MPa 時(shí)，得到最大殘余壓應(yīng)力層深，其值為0.48mm。殘余應(yīng)力場隨著噴丸角度的增大而增大。當(dāng)噴丸角度為90°時(shí)，殘余應(yīng)力場最大。

（3）噴丸后材料的粗糙度增大。隨著噴丸壓力的增大，粗糙度增大。噴丸角度對H13 鋼表面粗糙度的影響是單調(diào)關(guān)系，當(dāng)噴丸角度為（45～90）°時(shí)，粗糙度隨著噴丸角度的增大而增大其中，噴丸角度為90°，粗糙度最大，最大值為1.298μm。

（4）通過噴丸，在H13 鋼表面形成明顯的變形層。隨著噴丸壓力的增大，變形層沿著深度方向增大。

（5）在實(shí)際噴丸處理中，應(yīng)該兼顧工藝參數(shù)對H13 鋼的表層殘余應(yīng)力，表層硬度，表面粗糙度的影響。實(shí)際加工中可以作為參考的噴丸工藝參數(shù)：噴丸角度為90°，噴丸壓力為0.5MPa，覆蓋率為400%。