拋丸工藝對60Si2Mn熱軋彈簧鋼表面殘余應力的影響

張遠慶

鐵科（天津）科技有限公司， 天津 301700

拋丸工藝是一種表面處理工藝，原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的拋丸器將彈丸以一定的速度和角度拋射到鋼材表面，彈丸通過撞擊將鋼材表面氧化鐵皮和雜質(zhì)清理掉。隨著拋丸工藝的不斷完善，應用范圍也擴大到機械加工、汽車生產(chǎn)、兵器制造、礦山冶金、船舶、航空航天等領域［1-2］。拋丸在完成鋼材表面清理的同時，還會在鋼材表面產(chǎn)生殘余應力。這是由于彈丸撞擊鋼材表面，鋼材表面出現(xiàn)塑性變形凹坑，撞擊完成后塑性變形層下面的彈性區(qū)要恢復到原始尺寸，但此時塑性變形層會阻礙彈性區(qū)的恢復，兩者相互作用導致殘余應力產(chǎn)生［3］。

依據(jù)GB/ T 39520—2020《彈簧殘余應力的X射線衍射測試方法》，殘余應力所對應的應變是區(qū)域內(nèi)各個晶粒晶格應變的統(tǒng)計結(jié)果。通過X射線衍射法測定的晶格應變可計算出對應的殘余應力。X射線衍射原理為：當一束具有一定波長（λ）的X射線照射到材料上時，探測器會在衍射角（2θ）上接收到反射的X射線并形成衍射峰，如圖1所示。X射線的λ、衍射晶面間距（d）和2θ之間滿足布拉格定律［4］。

圖1 X射線衍射原理

殘余應力可通過殘余應力場特征參數(shù)和半高寬來描述［5］。其中殘余應力場特征參數(shù)有最大殘余應力（σmax）、最大殘余應力對應的深度（hmax）和殘余應力影響深度（h0）［6-9］。半高寬是衍射峰在其最大強度的1/2處所占據(jù)的寬度，以度（°）為單位。σmax、hmax、h0和半高寬隨拋丸強度增加而增加［10-12］。

60Si2Mn熱軋彈簧鋼（簡稱彈簧鋼）具有良好的強度、韌性和塑性，常應用于高速鐵路扣件用彈條的生產(chǎn)［13］。本文采用不同拋丸工藝對彈簧鋼進行拋丸處理，通過X射線應力測定儀測量不同拋丸工藝下彈簧鋼表面的殘余應力。對比不同拋丸工藝下殘余應力場特征參數(shù)和半高寬，分析不同拋丸工藝對彈簧鋼表面的拋丸效果，為拋丸工藝選取提供參考。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗設備

拋丸設備工作參數(shù)：拋丸時間6 ～ 16 s，拋丸覆蓋率100%，拋丸工作電流30 ～ 50 A，拋丸用彈丸為粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸。

X射線應力測定儀型號為XL-640。測試電壓20 kV，電流6 mA，曝光時間3 s。探測器采用線陣探測器，入射準直管直徑1 mm。應力測定儀使用前采用無應力鐵粉進行校驗。

電解拋光儀工作電壓15 ～ 20 V，工作電流8 ～ 10 A，電解液為氯化鈉飽和溶液。采用基恩士激光測距儀測量電解拋光去層深度。

1.2 試驗方法

根據(jù)上述拋丸設備及參數(shù)，選取不同拋丸時間和拋丸電流組合成5種工況，見表1。

表1 工況設置

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 殘余應力場

拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況（工況1—工況3）殘余應力沿層深的分布見圖2（a）；拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）殘余應力沿層深的分布見圖2（b）。其中：層深是指彈簧鋼表面到某一點位的深度；殘余應力為負表示受壓。

圖2 不同工況殘余應力沿層深的分布

工況1—工況5殘余應力場特征參數(shù)見表2。

表2 不同工況下殘余應力場特征參數(shù)

由圖2（a）和表2可知：①工況1—工況3殘余應力沿層深的變化規(guī)律類似。隨層深增加殘余應力先增大，增至σmax時層深也達到最大值（hmax）；層深大于hmax時，隨層深增加殘余應力逐漸減少；殘余應力接近0時對應的層深即為殘余應力影響深度（h0）。②對于σmax，工況1、工況2僅相差10 MPa，與工況1相比，工況3增大16.1%；對于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加38.2%、71.1%；對于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加19.8%、43.5%。

由圖2（b）和表2可知：①工況3—工況5殘余應力沿層深的變化規(guī)律類似，且與工況1—工況3相同。②對于σmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小14.7%、21.3%；對于hmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小26.9%、40.0%；對于h0，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小24.2%、36.0%。

由表2還可知：經(jīng)不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應力均為壓應力。對于σmax，工況3 ＞ 工況2 ＞工況1 ＞ 工況4 ＞ 工況5；對于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況5 ＞ 工況1；對于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況1 ＞ 工況5。這表明：①拋丸電流相同時，隨拋丸時間減?。ür3→工況1），σmax、hmax、h0均逐漸降低；拋丸時間相同時，隨拋丸電流減小（工況3→工況5），σmax、hmax、h0均逐漸降低。②5種工況中工況3（拋丸電流50 A，拋丸時間16 s）特征參數(shù)最大，因此工況3拋丸效果最好。

2.2 半高寬

拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況（工況1—工況3）半高寬沿層深的分布見圖3（a）；拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）半高寬沿層深的分布見圖3（b）。

圖3 不同工況下半高寬沿層深的分布

由圖3可知：①不同工況下半高寬沿層深的分布規(guī)律相似，半高寬均隨層深增加而逐漸減小，彈簧鋼表面半高寬最大，且5種工況半高寬均是減小至1.3°時不再減小。②層深相同時，對于拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況，半高寬由大到小排序為工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1；對于拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況，半高寬由大到小排序為工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5。③5種工況中工況3半高寬最大，即采用電流50 A，拋丸時間16 s工藝拋丸時拋丸效果最好。

3 結(jié)論

1）經(jīng)不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應力均為壓應力。在拋丸電流相同拋丸時間減小、拋丸時間相同拋丸電流減小兩種情況下，殘余應力場特征參數(shù)均減小，拋丸效果變差。

2）層深相同時，拋丸電流相同拋丸時間減小、拋丸時間相同拋丸電流減小兩種情況下，半高寬均減小，拋丸效果變差。

3）采用粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸拋丸，拋丸覆蓋率100%，拋丸時間為16 s，拋丸電流為50 A時，殘余應力場特征參數(shù)和半高寬最大，拋丸效果最好。