喷丸硬化加工一般在常温下进行,但如果在加热状态下进行加工的话,则可降低被加工材料变形抗力而获得更大的塑性变形。Harvey为改善工具钢的机械性能所作的试验表明,热喷丸硬化加工比热轧及锻造加工更有效。对于像弹簧钢这样的硬材料热喷丸加工也是有效的,为降低材料的变形抗力也经常利用此方法。与冷作相比,热喷丸硬化加工即使用通常硬度的喷丸也能使材料产生更大的残留应力。但如果为了加大塑性变形量而过高地提高加工温度,则加工硬化材料将产生回复现象而使残留应力急剧下降,弹簧的疲劳强度也降低,因而存在着一个产生高压缩残留应力的最佳加工温度。

本研究查明了弹簧钢热喷丸硬化时加工温度的影响。研究了加工温度对于提高疲劳强度方面影响最大的硬度残留应力表面粗糙的影响。制作了能设定加工温度的喷丸硬化模型装置,运用该装置求出加工温度的影响。此外,还进行了采用实际的喷丸硬化加工机的实验,研究了采用实际喷丸机的影响井与模拟实验进行了比较。

1、实验方法

1.1模拟实验

为能正确地查明热喷丸硬化时加工温度的影响,如图1所示用隔热材料包围加工装置,以保证在加工中能达到一定的温度。因此,与实际的喷丸硬化加工机不同,此时不是用投射喷丸而是通过连接在链条前端的硬球进行加工。硬球是直径为10mm的SUJ2钢球,硬度Hv700。为使硬球与链条连接,硬球直径要增大。用链条将硬球连接到旋转夹具上,以一定的半径旋转,以一定的角度冲击试片表面。试片固定在台车上,通过传送电机以一定的速度在钢轨上移动。  

本装置的加工条件范围如表1。投射速度通过旋转夹具之电动机的转速来控制。投射密度定义为用1个钢球冲击所产生的变形区面积乘以冲击次数,再除以被加工面的整个面积后所得的数值通过控制台车进给电动机的转速来控制台车的送进速度。此外,通过装在台车内的加热炉加热试片来控制加工温度加工温度比室温高40℃ 。

1.2实际加工

实验因模拟实验所用喷丸的直径比实际喷丸机所用喷丸的直径要大得多,所以也进行了使用实际喷丸硬化加工机的实验。图2是实际加工实验所用的离心装置,为与用模拟实验获得的加工条件相比较,投射速度取40m/s。试片通过加热炉与热容量大的台座一起加热并保持在设定的温度进行喷丸硬化加工。但是,由于加工中的试片表面被投射喷丸时发生的气流所冷却，因此,模拟实验采用的加工温度为Tw，而实际加工实验时则采用加工开始前的加热温度Th。

1.3实验材料

本试验采用的试片为弹簧钢SUP9(Mn-Cr系)。试片在930℃进行油淬,500℃回火。回火后试片硬度为HV420,试片的尺寸为:100mm,宽为25mm,厚10mm

1.4残留应力、硬度及表面粗糙度的测定

经喷丸硬化加工的试片沿厚度方向切断后,测定其表面附近的残留应力、维氏硬度及表面粗糙度。采用显微维氏硬度计,载前100g、保持时间15s沿板厚方向测定表面附近的硬度分布。用X射线残留应力测定装置(MSF-2M、铬管球30kV、10mA)。由X射线衍射法测定残留应力。X射线照射测定范围为3mmx3mm,因为只能进行表面测定,故板厚方向的应力测定是通过电解研磨法消除表面来进行的。喷丸加工面的粗糙度用激光测定器(CSG-522R)测定之。

2模拟实验的结果

2.1高温硬度试验

回火态试片内部的高温维氏硬度和温度的关系如图3所示。硬度的测定是在真空中于不同温度加热保温的状态下进行的。本试验使用500回火的试片,并与400℃回火试片的结果进行了比较。发现硬度在300℃附近以下时下降缓慢,但若超过此温度,则大幅度下降。

2.2压痕深度比

热加工试片的压痕深度比和加工温度T.的关系如图4所示。这里,压痕深度比是用喷丸直径除压痕中央部的深度所得之数值,压痕深度越大,其塑性变形也越大。若提高加工温度,则由于变形抗力下降,故压痕深度比增大。此结果与图3所示的硬度结果一致。

以Tw=20℃及300℃进行喷丸加工后试片的表面形状示于图5。可见,加工温度升高,其表面起伏仅略微增大。23残留压应力分布图6表示自试片表面沿板厚方向分布的残留压应力和加工温度T的关系。表面层采用Tw=100℃的加工将产生很大的残留压应力,试片内部采用Tw=200℃的加工也发生高残留压应力。但超过上述加工温度时,自表面层到内部,残留应力下降,这可认为是伴随着加热材料出现回复现象的缘故。在模拟试验中,由于所用喷丸的直径相当大,所以试片表面的塑性变形也大。因此,产生的残留应力直至试片内部的深处,但当更进一步增大与试片表面的距离时残留应力逐渐下降。

2.4硬度分布

图7表示所测定的热加工试片上自表面沿板厚方向的硬度分布。经喷丸加工的所有试片,硬度都是在表面附近最大。表面附近的硬度在Tw=20℃到200℃的温度范围内,最大为HV=700,从表面到内部的硬度在加工温度Tw=200℃时最大。但当Tw=300℃以上时,由于材料的回复现象,从表层到内部硬度均下降。

       3.3表面粗糙度分布

图10表示表面粗糙度与加热温度的关系。还显示了以80m/s的投射速度进行喷丸加工试片的结果。随着加热温度的升高,表面粗糙度略为增大。

图1分别表示以40m/s的投射速度在Th=20℃及30温度下进行喷丸加工后试片的表面形态。可见,当升高加热温度时,表面稍微变得粗糙。

4考察

4.1实际加工

试验中试片表面的温度关于形成最大压缩应力的温度,由实际加工试验所获得的结果比图6显示的模拟试验温度要高。可以认为这是由于投射喷丸时产生的气流使加热温度下降的缘故。表2表示在喷丸加工后试片表面温度的下降。由于300℃的加热温度Th在加工过程中降低到了200℃的加工温度Tw,故可见由实际加工试验所得的结果与模拟试验所得的结果是一致的。因此,在采用实际的热喷丸硬化加工机时,由于加工时产生的气流使表面温度下降,所以有必要在稍高的温度300℃附近进行加热。

4.2残留压应力的释放温度

提高加工温度时,由于塑性变形量增大,故残留压应力也变大,但若更进一步提高加工温度,则残留压应力减小。根据模拟试验和实际加工试验的结果,显示残留压应力最大的加工温度约为200℃。可以认为这是由材料的回复现象导致的残留应力释放的结果。因此,为研究由加热引起的回复现象与残留压应力的关系,用实际加工机在室温下将喷丸硬化的试片加热,在设定温度下保温10min后,在室温下测定残留应力。

图12表示残留压应力与加热温度的关系。由于加热而产生回复,产生的残留压应力逐渐减少,当温度达200℃以上时,这种减少加剧,且在加工温度约200时,对应于最大的残留压应力下降。