張銀霞， 楊 鑫， 原少帥， 于 鑫， 劉治華

(鄭州大學(xué) 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)[1](tunnel boring machine，TBM)由于其具有效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于深長隧道的施工，TBM盤形滾刀是其關(guān)鍵部件之一，對(duì)掘進(jìn)效率和施工成本有極大影響[2]。TBM盤形滾刀工作環(huán)境惡劣，因而對(duì)刀圈的硬度、耐磨性提出了很高的要求，常用的TBM滾刀刀圈材料多為H13鋼[3]。在硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性方面較SKD11鋼有明顯優(yōu)勢(shì)的新型冷作模具鋼——DC53鋼，近年來開始應(yīng)用于TBM盤形滾刀的制造[4-5]，DC53鋼在精密模具與特種刀具的制造領(lǐng)域均已得到了廣泛的應(yīng)用。

表面完整性是評(píng)價(jià)工業(yè)產(chǎn)品表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[6]，其包括表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力及微觀結(jié)構(gòu)等特征量。表面完整性指標(biāo)直接影響零件的耐磨性和疲勞壽命，機(jī)械加工和表層強(qiáng)化是影響表面完整性的重要工藝措施[7]。龔軍振等[8]通過對(duì)Al6061的銑削加工，得到了銑削工藝對(duì)材料X、Y方向殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。Hashimoto等[9]研究了硬車削和磨削對(duì)表面完整性及滾動(dòng)接觸疲勞壽命的影響。Arola等[10]采用后混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)對(duì)AISI304和Ti6Al4V進(jìn)行研究，給出水射流噴丸后材料表面完整性參數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。周松等[11]對(duì)比了某鋁合金噴丸前后試樣的顯微硬度、殘余應(yīng)力及拉-拉疲勞性能后發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化后試樣的殘余應(yīng)力、顯微硬度均有提高，試樣疲勞壽命相較于未噴丸試樣提高了1.67倍。

噴丸強(qiáng)化工藝通過丸粒流高速?zèng)_擊材料表層，可以引入殘余壓應(yīng)力，顯著提高材料表層硬度從而提高材料的疲勞壽命與耐磨性[12-13]。材料的力學(xué)性能不同則噴丸工藝及強(qiáng)化效果不同，噴丸工藝對(duì)材料的表面完整性影響程度也不同。研究DC53鋼噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)提高DC53鋼的耐磨性及疲勞壽命具有重要意義，而目前尚未見到有關(guān)DC53鋼噴丸工藝研究的相關(guān)文獻(xiàn)。

本文通過試驗(yàn)研究噴丸工藝參數(shù)對(duì)DC53鋼表面完整性的影響，給出噴丸角度及噴丸壓力對(duì)DC53鋼表層殘余應(yīng)力場(chǎng)與硬度場(chǎng)分布的影響規(guī)律，以及對(duì)表面粗糙度及表面形貌的影響，給出較優(yōu)的噴丸工藝參數(shù)。研究結(jié)果可以為DC53鋼噴丸強(qiáng)化的實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方案

本文選取DC53鋼作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)測(cè)得的DC53鋼化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。試樣尺寸為15 mm×15 mm×30 mm，熱處理工藝如圖1所示[14]。試樣在進(jìn)行噴丸試驗(yàn)前經(jīng)過磨削預(yù)處理，磨削后表面粗糙度Ra為0.907 μm，表面硬度為58.3 HRC，表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力248.89 MPa。

表1 DC53鋼化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Chemical composition and mass fiction of DC53 steel %

圖1 DC53鋼熱處理工藝曲線圖Figure 1 Heat treatment process curve of DC53 steel

噴丸試驗(yàn)使用的設(shè)備為美弗萊機(jī)械設(shè)備(惠州)有限公司生產(chǎn)的SRT2-80L2-2型單工位轉(zhuǎn)臺(tái)式噴丸機(jī)，噴槍選擇單支10 mm文丘里噴嘴(直徑為8 mm)，使用的丸粒型號(hào)為CCW230(丸粒直徑為0.6 mm)，噴丸流量為10 kg/min，試驗(yàn)機(jī)械手移動(dòng)速度為40 m/min。噴丸試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示，在保證噴丸覆蓋率為400%的前提下，分別對(duì)噴丸角度與噴丸壓力進(jìn)行單因素試驗(yàn)，其中，控制噴丸角度為90°時(shí)探究噴丸壓力對(duì)DC53鋼表面完整性的影響，噴丸壓力包括0.2、0.3、0.45、0.5和0.55 MPa；控制噴丸壓力為0.5 MPa時(shí)探究噴丸角度對(duì)DC53鋼表面完整性的影響，噴丸角度包括45°、60°、75°和90°。

表2 噴丸試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of shot peening test

本文對(duì)殘余應(yīng)力、硬度、表面粗糙度等表面完整性指標(biāo)進(jìn)行研究。殘余應(yīng)力檢測(cè)選用Proto LDR標(biāo)準(zhǔn)型殘余應(yīng)力分析儀。硬度檢測(cè)采用HV-1000型顯微硬度計(jì)。選用PLLIDHRT 8818V-3型電解拋光機(jī)對(duì)材料試樣進(jìn)行剝層，從而檢測(cè)殘余應(yīng)力與硬度沿深度方向的變化規(guī)律。表面粗糙度采用布魯克公司的NPFLEX表面輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)試樣測(cè)量5次求平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴丸工藝對(duì)DC53鋼表層殘余應(yīng)力的影響

圖2為噴丸壓力0.5 MPa時(shí)，不同噴丸角度下DC53鋼殘余應(yīng)力沿深度方向的分布情況，可以看出，未噴丸試樣表面呈殘余拉應(yīng)力，大小為248.89 MPa，隨深度遞減，在距表面210 μm趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)壓力影響深度已延伸至材料基體，殘余應(yīng)力不再受加工工藝影響而趨于穩(wěn)定。噴丸后試樣表層呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力分布，且殘余壓應(yīng)力隨深度的增加均呈現(xiàn)出“U”型分布。噴丸后表面殘余應(yīng)力值δb、最大殘余壓應(yīng)力值δm、最大殘余應(yīng)力所在深度dmd及殘余壓應(yīng)力層深度dd如表3所示，表面殘余壓應(yīng)力值及最大殘余壓應(yīng)力值均隨噴丸角度的增加而增加。噴丸角度為90°時(shí)，殘余壓應(yīng)力最大約為1 075 MPa，且應(yīng)力層深度相較于45°時(shí)殘余壓應(yīng)力深度增加約100 μm。

圖2 不同噴丸角度下DC53鋼殘余應(yīng)力的分布Figure 2 Distribution of residual stress of DC53 steel at different shot peening angles

表3 不同噴丸角度下殘余應(yīng)力值及深度Table 3 Residual stress values and depth at different peening angles

當(dāng)噴丸角度為90°，噴丸壓力從0.2 MPa增加到0.55 MPa時(shí)殘余應(yīng)力的分布規(guī)律如圖3所示，不同壓力下殘余壓力值及深度如表4所示?？梢钥闯?，不同噴丸壓力下表面均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，噴丸壓力從0.3 MPa增加到0.5 MPa，最大殘余壓應(yīng)力值及層深逐漸增大；噴丸壓力從0.5 MPa增大到0.55 MPa時(shí)，壓應(yīng)力值大小及層深不再增大，基本趨于穩(wěn)定。引入的殘余壓應(yīng)力層的深度隨著噴丸壓力的增大而增大，殘余壓應(yīng)力深度從240 μm增加到410 μm。殘余壓應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度之所以隨著噴丸壓力的增大而遞增，是因?yàn)閲娡鑹毫υ龃?，丸粒速度隨之增大，丸粒的沖擊動(dòng)能增大導(dǎo)致試樣的殘余應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度增大。

圖3 不同噴丸壓力下DC53鋼殘余應(yīng)力的分布Figure 3 Distribution of residual stress of DC53 steel under different shot peening pressures

表4 不同噴丸壓力下殘余應(yīng)力值及深度Table 4 Residual stress values and depth under different peening pressures

2.2 噴丸工藝對(duì)DC53鋼表層硬度的影響

未噴丸試樣的硬度穩(wěn)定在58.3 HRC附近，噴丸后表層硬度明顯增加。圖4所示為噴丸壓力為0.5 MPa，不同噴丸角度下DC53鋼硬度沿深度方向分布情況。噴丸角度由45°增加到90°時(shí)，試樣表面的硬度由61 HRC提高至62.4 HRC，較未噴丸試樣增加了2.7～5.1 HRC。隨著深度的增加，硬度分布近似于線性遞減，硬化層深度也有所提高。

圖4 不同噴丸角度下試樣硬度沿深度分布Figure 4 Distribution of hardness along the depth of different shot peening angles

噴丸角度為90°，噴丸壓力從0.2 MPa增加到0.55 MPa時(shí)表層硬度變化如圖5所示。由圖5可知，DC53鋼表層硬度沿深度方向逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，試樣表面硬度由61.5 HRC增加至63.4 HRC，較未噴丸試樣增加3.2～5.1 HRC。硬化層深度由190 μm增加到330 μm，增加了140 μm。因此，噴丸壓力對(duì)試樣表層的硬化層深度以及表面硬度的提升有重要的作用，隨著噴丸壓力的增大，材料表層硬度明顯增大，硬化層深度也有所增加。

圖5 不同噴丸壓力下試樣硬度沿深度的分布Figure 5 Distribution of hardness along the depth of different shot peening pressures

2.3 噴丸工藝對(duì)DC53鋼表面粗糙度的影響

噴丸工藝會(huì)影響試樣表面形貌和表面粗糙度，圖6為DC53鋼噴丸前后部分試樣的三維形貌。未經(jīng)過噴丸處理的試樣表面有明顯的磨削加工痕跡，粗糙度Ra為0.907 μm，經(jīng)過噴丸處理的表面有高低不平的彈坑，這是由于彈丸的高速?zèng)_擊使得原有的磨削加工痕跡被覆蓋。

圖6 不同噴丸工藝參數(shù)條件下DC53鋼試樣三維形貌圖Figure 6 Three-dimensional topography of DC53 steel specimen with different peening parameters

從圖7中看出，當(dāng)噴丸壓力為0.5 MPa，噴丸角度由45°增加到90°時(shí)，表面粗糙度依次增加，噴丸角度為45°時(shí)得到Ra最小值為0.787 μm，相較于未噴丸試樣粗糙度有所下降，隨后的噴丸角度對(duì)應(yīng)的粗糙度值均大于未噴丸試樣，噴丸角度90°時(shí)Ra為1.156 μm。

圖7 不同噴丸工藝參數(shù)條件下DC53鋼的表面粗糙度Figure 7 Surface roughness of DC53 steel with different peening parameters

噴丸壓力由0.3 MPa增大到0.55 MPa，表面粗糙度Ra依次為0.877 μm、1.059 μm、1.156 μm和1.168 μm。與未噴丸試樣對(duì)比可知，噴丸壓力較小時(shí)，噴丸可以使材料表面更加平整，使表面粗糙度低于噴丸前；但隨著噴丸壓力的進(jìn)一步增大，試樣表面變形增大，試樣表面的粗糙度增大，這是因?yàn)閲娡韫に囋谝欢ǔ潭壬峡梢云秸ハ鞯募庸ず圹E，但過大的噴丸壓力會(huì)給試樣表面帶來更深的彈坑，從而使試樣表面粗糙度增大。材料的表面粗糙度和疲勞壽命有密切的關(guān)系，過大的粗糙度會(huì)使得材料表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致疲勞壽命降低[15]。

綜上所述，不同的噴丸工藝參數(shù)條件下，DC53鋼的硬度、殘余應(yīng)力及表面粗糙度不同，具體選擇時(shí)可以根據(jù)DC53鋼的應(yīng)用條件進(jìn)行合理選擇。當(dāng)對(duì)硬度及殘余壓應(yīng)力要求較高時(shí)，可以選擇噴丸壓力0.5 MPa，噴丸角度90°，雖然此時(shí)表面粗糙度較原始值略有增加，但DC53鋼表層殘余壓應(yīng)力及表層硬度均較大，影響層深度也較深，能夠顯著提高其耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)DC53鋼噴丸后可為材料表層引入約400 μm深的“U”型分布?xì)堄鄩簯?yīng)力，噴丸壓力從0.3 MPa增加到0.55 MPa時(shí)，DC53鋼的殘余壓應(yīng)力層深逐漸增大至410 μm，而最大殘余壓應(yīng)力值及其所在層深是先增大后減小，在0.5 MPa時(shí)在90 μm處殘余壓應(yīng)力值達(dá)到約1 075 MPa。

(2)噴丸后DC53鋼可引入深度為330 μm的表面硬化層，表面硬度可由58.3 HRC提高至62.4 HRC。隨著噴丸角度和噴丸壓力的增大，DC53鋼表層硬度值及硬化層深度值增大，噴丸角度為90°，噴丸壓力為0.55 MPa時(shí)，DC53鋼表層硬度較未噴丸時(shí)增加5.1 HRC，硬化層深度增加140 μm。

(3)噴丸工藝會(huì)重置材料表面形貌，當(dāng)噴丸角度為45°，噴丸壓力為0.3 MPa時(shí)，DC53鋼表面粗糙度值較原始狀態(tài)有所下降，但此時(shí)表層硬度及殘余壓應(yīng)力均處較低狀態(tài)。

(4)本文得到的噴丸工藝參數(shù)對(duì)DC53鋼表面完整性的影響規(guī)律，可為DC53鋼的實(shí)際加工提供參考依據(jù)。