船用柴油機(jī)連桿的噴丸強(qiáng)化工藝及性能研究

張雷雷，馬玉亮，張曉云，楊 平，唐 豪，焦 凱

(陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713100)

0 前 言

連桿作為柴油機(jī)八大件中的關(guān)重件之一，是衡量柴油機(jī)安全和壽命的重要指標(biāo)。在柴油機(jī)的運(yùn)行工作中，連桿兩端分別與活塞和曲軸相連接，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿傳遞到曲軸，從而使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)輸出動(dòng)力；在運(yùn)動(dòng)過程中，連桿與曲軸、活塞之間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，除受周期性的拉、壓應(yīng)力外，還受一定的彎曲應(yīng)力；通常，連桿的失效形式主要為疲勞斷裂[1，2]，在生產(chǎn)上為了防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，往往需要對(duì)連桿進(jìn)行噴丸處理，來提高其疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

劉保權(quán)等[3]實(shí)驗(yàn)研究了40MnV非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛后空冷和正火2種工藝對(duì)連桿疲勞性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：鍛后空冷可以延長連桿的疲勞壽命。李啟鵬等[4]利用激光對(duì)連桿進(jìn)行了沖擊強(qiáng)化，研究了它的疲勞壽命，研究表明：使用激光沖擊強(qiáng)化后，連桿的疲勞壽命延長為原來的5.24倍，有效降低了連桿疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

噴丸強(qiáng)化是用大量的金屬、陶瓷或玻璃等丸粒來持續(xù)轟擊材料表面，使材料表面發(fā)生塑性變形，塑性變形會(huì)使材料表層組織發(fā)生一定程度的晶粒細(xì)化，從而提高材料表面的強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)，塑性變形會(huì)給材料表層組織植入一定的壓應(yīng)力，表層壓應(yīng)力的存在能夠有效地抑制和延緩裂紋的生長與擴(kuò)展，從而延長材料的疲勞壽命。相對(duì)于其它強(qiáng)化技術(shù)，噴丸強(qiáng)化是一種成本低、效率高的表面強(qiáng)化手段，已廣泛應(yīng)用于船舶、航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[5，6]。

在工廠的生產(chǎn)加工過程中，噴丸工藝參數(shù)的選取多以試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為主，生產(chǎn)效率低，隨著彈丸類型、彈丸大小、噴丸強(qiáng)度等噴丸要求的改變，現(xiàn)有的噴丸工藝已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的生產(chǎn)需求。因此，本工作通過工藝實(shí)驗(yàn)，繪制出噴丸強(qiáng)度的飽和曲線，對(duì)現(xiàn)場工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)噴丸后的試樣進(jìn)行硬度、表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力測(cè)試，最后成功對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)的連桿進(jìn)行了噴丸處理，結(jié)果滿足要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用基體材料為42CrMo4，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，化學(xué)成分見表1，將基體材料切割成100 mm×20 mm×10 mm的小試樣，清除表面異物后待用，弧高試片采用購買的標(biāo)準(zhǔn)Almen試片，彈丸材料選擇φ0.58 mm的鑄鋼丸。實(shí)驗(yàn)用KXS-3000P型數(shù)控噴丸機(jī)，噴丸過程如圖1所示，噴丸時(shí)，將一定量的彈丸以一定的角度、速度和壓力向基體進(jìn)行噴射，從而使基體表面產(chǎn)生一定的變形與壓應(yīng)力。

表1 42CrMo4鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 42CrMo4 steel(mass fraution)

在現(xiàn)有噴丸工藝的基礎(chǔ)上，保持彈丸流量、壓力、噴丸距離與噴丸角度不變，通過改變噴槍移速來測(cè)定不同噴丸速度下的Almen試片弧高值，進(jìn)而計(jì)算出噴丸過程的飽和曲線及飽和強(qiáng)度，噴丸工藝參數(shù)見表2。

利用TSP-3型噴丸試片量規(guī)檢測(cè)噴丸后Almen試片的弧高值，噴丸前后各測(cè)試同一Almen試片的弧高值，其差值即為噴丸后的弧高值，每種工藝下測(cè)量3個(gè)Almen試片，取其平均值。使用HVT-1000A型顯微硬度計(jì)測(cè)試噴丸后試樣的硬度，加載載荷0.98 N，停留時(shí)間10 s，沿深度方向從噴丸表面間隔0.05 mm進(jìn)行硬度測(cè)試。使用ISR-C300粗糙度測(cè)試儀檢測(cè)噴丸后試樣表面的粗糙度。利用μ-360s型X射線衍射儀測(cè)試噴丸后試樣沿深度方向的殘余壓應(yīng)力，測(cè)試方法為COSα法，測(cè)試條件為Cr Kα射線，管電壓30 kV，電流2 mA，衍射晶面(211)。

表2 噴丸工藝參數(shù)Table 2 Shot peening process parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 Almen試片飽和曲線繪制

按表2所示的4種工藝參數(shù)對(duì)Almen試片進(jìn)行噴丸處理，噴丸后使用弧高測(cè)試儀測(cè)試其弧高值，結(jié)果見表3。由表3可知，當(dāng)噴丸時(shí)間從4 s增加到8 s時(shí)，Almen試片的弧高值明顯變大，說明此時(shí)Almen試片還未達(dá)到噴丸飽和狀態(tài)；當(dāng)噴丸時(shí)間從16 s增加到32 s時(shí)，Almen試片的弧高值變化很小，說明此時(shí)已達(dá)到試片的飽和狀態(tài)。

表3 Almen試片弧高測(cè)試值Table 3 Almen test piece arc height test value

以橫坐標(biāo)為噴丸時(shí)間，縱坐標(biāo)為Almen試片弧高值，做出弧高值隨噴丸時(shí)間變化的曲線并進(jìn)行擬合，得到噴丸過程的飽和曲線，結(jié)果如圖2所示。由Almen10%理論可知，當(dāng)噴丸時(shí)間增加1倍，Almen試片弧高值增加少于10%，則達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，從圖2可以得到，當(dāng)噴丸時(shí)間t=12 s時(shí)，試片已經(jīng)到達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)的噴丸強(qiáng)度為0.38 mmA。為了滿足覆蓋率≥125%的技術(shù)要求，將噴丸時(shí)間適當(dāng)增加，調(diào)整為t=14 s，調(diào)整后噴丸強(qiáng)度為0.39 mmA，覆蓋率也滿足要求。通過以上調(diào)整，得到噴丸的最佳工藝參數(shù)為：彈丸流量10 kg/min，距離120 mm，噴槍移速9 mm/s，噴丸時(shí)間14 s。

利用最佳噴丸工藝對(duì)試樣進(jìn)行噴丸處理，噴丸后進(jìn)行硬度、粗糙度和殘余壓應(yīng)力檢測(cè)。

2.2 噴丸后硬度分析

利用上節(jié)得到的最佳噴丸工藝對(duì)試樣進(jìn)行噴丸處理，噴丸后使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，加載載荷0.98 N，停留時(shí)間10 s，沿深度方向從噴丸表面間隔0.05 mm進(jìn)行硬度測(cè)試，同一位置測(cè)量3次，取其平均值，得到的硬度曲線如圖3所示。

從噴丸后的硬度曲線可以看出，隨著距表面距離的增加，硬度呈下降趨勢(shì)，從最大408 HV逐漸降低到346 HV，最終在334 HV處趨于穩(wěn)定，接近于未噴丸基體材料的硬度，即此處已超出噴丸硬化區(qū)域，已到達(dá)基體部分。因此，在最佳噴丸工藝下，噴丸硬化層深約為250 μm。噴丸后硬度的提升主要是由于材料表面發(fā)生塑性變形，晶粒得到細(xì)化，晶界增多，形成了一定的加工硬化區(qū)域，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行了細(xì)晶強(qiáng)化，因而硬度有所提升[7]。表面硬度的提升可以提高材料的耐磨性，延長零件的使用壽命，對(duì)工件是有益的。

2.3 噴丸后粗糙度分析

使用粗糙度測(cè)量儀對(duì)噴丸前后試樣表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)選取3個(gè)試樣分別在兩端和中間3個(gè)位置進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值，測(cè)得的粗糙度數(shù)值如圖4所示。噴丸后粗糙度的大小主要與彈丸直徑、壓力、噴丸距離、噴丸速度與時(shí)間等有關(guān)[8]，粗糙度過大會(huì)影響零件的使用效果和精度，甚至?xí)沽慵砻娉霈F(xiàn)裂紋，因此選擇合理的噴丸工藝顯得尤為重要。由圖4可知，未噴丸試樣的表面粗糙度約為0.26 μm，在最佳噴丸工藝下，噴丸后試樣表面的粗糙度最大值為2.68 μm，最小值為2.11 μm，粗糙度整體較小，符合技術(shù)要求，噴丸試樣兩端與中間的粗糙度差值也較小，說明噴丸的一致性較好，也反映出噴丸工藝較為合理。

2.4 噴丸后殘余壓應(yīng)力分析

使用μ-360s型X射線應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)噴丸后的試樣進(jìn)行殘余壓應(yīng)力檢測(cè)，從表層向內(nèi)部進(jìn)行深度剝層測(cè)量，每層間隔16 μm，每層測(cè)量4個(gè)點(diǎn)取平均值，深度剝層采用電解腐蝕方法，電解腐蝕液為飽和的NaCl溶液，測(cè)得的殘余壓應(yīng)力曲線如圖5所示。由殘余壓應(yīng)力曲線圖可知，通過噴丸處理植入試樣表面的殘余壓應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，表面殘余壓應(yīng)力最大，約為-554 MPa，隨著距表面距離的增大，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，這是由于在噴丸過程中，攜帶一定能量的彈丸首先接觸的是材料表面，與其發(fā)生碰撞，產(chǎn)生塑性變形，從而植入一定的壓應(yīng)力，隨著彈丸對(duì)表面的持續(xù)撞擊，植入試樣表面的殘余壓應(yīng)力逐漸積累，在慢慢變大的同時(shí)逐步向內(nèi)部延伸，最終殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)出由表面向內(nèi)部逐漸減小的現(xiàn)象。表面殘余壓應(yīng)力的存在能夠抵消工件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力，從而提高工件的疲勞強(qiáng)度，延長使用壽命。應(yīng)力曲線下降整體較為平緩，且測(cè)得的應(yīng)力數(shù)值誤差相對(duì)較小，從側(cè)面反映出噴丸效果較好。

2.5 連桿實(shí)物噴丸處理

使用上面得到的最佳工藝對(duì)某型號(hào)連桿大端孔進(jìn)行噴丸處理，對(duì)噴丸后的連桿進(jìn)行噴丸強(qiáng)度和覆蓋率檢測(cè)，結(jié)果均符合技術(shù)要求。改變工藝后，單件連桿的噴丸時(shí)間相對(duì)減少，效率有了明顯提高。將噴丸后的連桿精加工后，裝機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在累計(jì)運(yùn)行80 h后，各項(xiàng)性能均能達(dá)到指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將連桿拆下進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，連桿大端孔表面完好，無磨損痕跡出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)通過繪制噴丸飽和曲線和覆蓋率的要求，得到了噴丸過程的最佳工藝:彈丸流量10 kg/min、壓力0.5 MPa、噴丸距離120 mm，噴槍移速9 mm/s。

(2)在最佳工藝下，噴丸后試樣表面硬度由334 HV升高到408 HV，硬化層深約為250 μm；噴丸后試樣表面的最大粗糙度為2.68 μm ，相比于基體提高了約10倍；噴丸后試樣表層的殘余壓應(yīng)力最大，隨著距表面距離的增加殘余壓應(yīng)力逐漸減小。

(3)利用得到的最佳工藝成功對(duì)某型號(hào)連桿進(jìn)行了噴丸，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。通過改變工藝，噴丸效率得到提升，為工廠節(jié)約了成本。