基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸强化技术的制作方法

本发明涉及的是一种采用微粒子钢丝切丸进行的精细喷丸强化技术。用于金属材料或零件表面强化领域。

背景技术：

喷丸强化技术是表面强化中应用最广泛的一种加工工艺，通过引入残余压应力场、产生形变细化组织结构来提高金属零件抗疲劳、抗应力腐蚀的能力，延长金属零件使用寿命。另一方面会使材料表面的粗糙度增加会对疲劳性能的改善产生不利影响。随着机械加工业的不断发展，对材料表面性能提出了越来越高的要求，人们希望材料在提高表面疲劳强度的同时降低表面粗糙度。

与传统喷丸相比，微粒子喷丸是一种有较大改变的新型表面改性处理技术。传统喷丸采用约0.6mm的丸粒，微粒子喷丸采用小于0.2mm的丸粒作为喷丸介质。通过使用比传统喷丸更小的丸粒，以更高的速度撞击工件表面，从而使材料表面获得更高的残余压应力，同时又能使材料表面的粗糙度有效地降低，且进一步提高了材料表面疲劳强度，且满足了对表面光洁度要求高的抗疲劳构件的使用要求。

微粒子钢丝切丸作为一种新型喷丸介质，在相同喷丸处理参数下，与传统喷丸介质相比，喷丸后试件表面的粗糙度更低；与陶瓷丸介质相比，喷丸效率更高，有较高的应用前景。

本发明的发明目的是克服普通钢丝切丸喷丸处理的金属试件表面粗糙度大的不足，提供一种既能明显降低表面粗糙度，又能进一步增强材料表面力学性能的新型喷丸技术。本方法使用便捷，性能提升明显，可大规模生产，经济效益高。

技术实现要素：

本发明提供了一种有效提高金属试件表面残余压应力并能降低表面粗糙度新的喷丸强化技术，在增大残余压应力的有益效应外，还可以最大程度避免零件表面粗糙度所带来的一些不利影响。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤、工作过程和原理如下：

(1)选取与大型工件相同的原始材料制备成30×10×8mm³试件，利用气压式喷丸机对试件进行喷丸处理，使用微粒子钢丝切丸(弹丸直径小于0.2mm)和钝化普通钢丝切丸(弹丸直径约0.6mm)，弹丸硬度均为55～60hrc，喷丸覆盖率150％以上。

基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸强化技术包括两道喷丸工序，第一道工序普通钢丝切丸喷丸，喷丸强度为0.42a，对表层区域初步强化；第二道工序微粒子钢丝切丸喷丸，喷丸强度为第一道工序的1/3，即0.14a，对表面进行精细化处理。与普通喷丸相比，金属试件表面粗糙度更低，达到ra0.94/rz6.56μm，即精加工表面的程度；且喷丸表层残余压应力、衍射半高宽更大，显微硬度更高。

(2)对比不同喷丸工艺下试件表面的粗糙度

用tr240表面粗糙度仪分别测量普通钢丝切丸喷丸和基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸后试件表面粗糙度，测量参数为ra和rz值。在试件喷丸面连续选择5段进行测量，每段的长度为4mm，且进行5次重复测量，取平均值作为测量结果。根据测量轮廓信息绘制不同喷丸工艺下试件表面的轮廓线，并对测得得粗糙度值进行对比。

(3)对比不同喷丸工艺下试件表层的残余压应力分布

用x射线应力分析仪分别测量普通钢丝切丸喷丸和基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸后试件表层的残余压应力分布，根据试件材料选择fe(211)为衍射晶面，x射线弹性常数为s2/2＝5.92×10^-6mpa^-1及s1＝-1.28×10^-6mpa^-1，衍射峰在2θ范围内保持完整。用电化学腐蚀的方法对试件喷丸表面进行剥层处理，测量不同层深下的残余压应力值，建立残余压应力与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件表层残余压应力的分布进行对比。

(4)对比不同喷丸工艺下试件喷丸表层衍射半高宽的变化

用x射线衍射仪分别测量普通钢丝切丸喷丸和基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸后试件喷丸表层的衍射线形，根据试件材料选择fe(211)为衍射晶面，具体测试参数为：管电压：30kv，管电流：20mma，cr靶kα辐射，用v为滤波片，以确保衍射x射线的单色性。从衍射峰形中直接获得衍射半高宽，衍射半高宽可间接表征材料组织的形变细化情况，晶粒越大衍射半高宽越窄，通过晶粒与衍射半高宽的关系可计算出所测点处材料晶粒的大小。用电化学腐蚀的方法进行剥层，测量试件不同层深下的衍射半高宽，建立衍射半高宽与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件喷丸表层衍射半高宽的变化情况进行对比。

(5)对比不同喷丸工艺下试件喷丸表层的硬度

用dhv-1000型显微硬度计分别测量普通钢丝切丸喷丸和基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸后试件喷丸表层的硬度。根据试件材料选择施加载荷50g，保持载荷时间15s，同一层深下随机测量5个点的显微硬度，取平均值作为测量结果。用电化学腐蚀的方法进行剥层，测量试件不同层深下的显微硬度，建立显微硬度与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件喷丸表层硬度的变化情况进行对比。

本发明的有益效果是：克服普通钢丝切丸喷丸处理的金属试件表面粗糙度大的不足，且喷丸表层残余压应力、衍射半高宽更大，间接反映喷丸表层组织细化效果更明显，显微硬度更高。

附图说明

图1：普通钢丝切丸喷丸(0.42a)、普通钢丝切丸喷丸(0.42a)+微粒子钢丝切丸喷丸(0.14a)表面轮廓线

图2：普通钢丝切丸喷丸(0.42a)、普通钢丝切丸喷丸(0.42a)+微粒子钢丝切丸喷丸(0.14a)残余应力沿层深分布

图3：普通钢丝切丸喷丸(0.42a)、普通钢丝切丸喷丸(0.42a)+微粒子钢丝切丸喷丸(0.14a)衍射半高宽沿层深分布

图4：普通钢丝切丸喷丸(0.42a)、普通钢丝切丸喷丸(0.42a)+微粒子钢丝切丸喷丸(0.14a)显微硬度沿层深分布

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

(1)试件喷丸处理

选择牌号为60si2mn，热处理工艺为870℃油淬火以及420℃回火，调质后的材料硬度为hrc50左右。经过线切割成尺寸为：30×20×8mm³。利用气动式喷丸机，对试件进行喷丸处理，使用钝化普通钢丝切丸(弹丸约0.6mm)和微粒子钢丝切丸(弹丸直径小于0.2mm)，弹丸硬度均为55～60hrc，喷丸覆盖率150％以上。

基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸强化技术包括两道喷丸工序，第一道工序普通钢丝切丸喷丸，喷丸强度为0.42a，对喷丸表层初步强化；第二道工序微粒子钢丝切丸喷丸，喷丸强度为第一道工序的1/3，即0.14a，对表面进行精细化处理。与普通喷丸相比，金属试件表面粗糙度更低，达到ra0.94/rz6.56μm，即精加工表面的程度；且喷丸表层残余压应力、衍射半高宽更大，显微硬度更高。

(2)对比不同喷丸工艺下试件表面的粗糙度

用tr240表面粗糙度仪分别测量试件表面粗糙度，测量参数为ra和rz值。在试件喷丸面连续选择5段进行测量，每段的长度为4mm，且进行5次重复测量，取平均值作为测量结果。根据测量轮廓信息绘制不同喷丸工艺下试件表面的轮廓线，并对测得得粗糙度值进行对比。

(3)试件电化学腐蚀

对试件表层进行电化学腐蚀剥层，剥层精度±3μm。电化学腐蚀参数为：电压6v，电流1a，饱和nacl电解液。

(4)对比不同喷丸工艺下试件表层的残余压应力分布

用x射线应力分析仪测量试件不同层深的残余压应力值，建立残余压应力与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件表层残余压应力的分布进行对比，如图2所示。

(5)对比不同喷丸工艺下试件喷丸表层衍射半高宽的变化

用x射线应力仪采集喷丸处理后不同层深的衍射谱线，选择管电压：30kv，管电流：20mma，v滤波片，cr靶kα辐射，fe(211)衍射晶面。建立衍射半高宽与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件喷丸表层衍射半高宽的变化情况进行对比，如图3所示。

(6)对比不同喷丸工艺下试件喷丸表层的硬度

用dhv-1000型显微硬度计测量试件喷丸表层不同层深下的硬度，施加载荷50g，保持载荷时间15s，同一层深下随机测量5个点的显微硬度，取平均值作为测量结果。建立显微硬度与层深的关系图，对不同喷丸工艺下试件喷丸表层硬度的变化情况进行对比。图4为试件显微硬度与腐蚀层深之间的关系。

测量结果表明，基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸强化加工后的金属材料表面粗糙度更小、残余压应力更大，硬度更高，x射线衍射线半高宽更大(即晶粒更细小)，金属材料表面力学性能更加优良。基于微粒子钢丝切丸的精细喷丸强化技术优势明显，使用便捷，性能提升明显，可大规模生产，经济效益高。