CN101698924B - 一种用于金属表面清理和强化的钢丸及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于其包括下述组分：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，铁补足重量百分比至100％；百分比为重量百分比。本发明还提供了所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法。本发明克服了现有的用于金属表面清理和强化的钢丸使用寿命短、硬度偏差大、耐冲击性低等缺陷，提供了一种具有很好的耐久性，使用寿命明显高于现有技术；元素比例一致性高、密度高、硬度偏差比较小、颗粒尺寸一致性高、表面强度适中，特别适用于高端工件的表面处理；且不会出现空心，以及表面或隐性裂纹现象，是一种表面形状差异小的用于金属表面清理和强化的钢丸。

Description

一种用于金属表面清理和强化的钢丸及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属产品及其制备方法，尤其是一种用于金属表面清理和强化的钢丸及其制备方法。

背景技术

我国目前生产和使用的清理钢丸或强化钢丸等产品，其生产工艺主要有两种：一是通过溶炼废钢后，再加入一定其它成份，将钢水进行雾化或离心方式造粒；二是回收社会废旧钢丝(矿山机械、油田设备和废旧轮胎里)，进行切段。由这两种方式所得的钢丸，其主要缺陷为元素比例不易控制，且硬度偏差大。同时，钢丸的密度、表面形状偏差也很大，这类钢丸还容易产生空心和表面微裂纹等现象。因此这类钢丸产品在抛丸或喷丸过程中，耐冲击性和耐摩擦性低，容易破碎，使用寿命短。特别是用于高强度钢材的抛丸清理及强化处理时，如用于飞机制造、航空航天、汽车、摩托车、造船、传动机械、弹簧制造等行业金属表面处理，缺点尤为突出，无法满足改变工件表面应力状态、使工件表面清理氧化层和硬化、提高零件的耐磨性和抗疲劳强度等工艺要求。

专利CN 101337338 A中公开了一种强化钢丸，其0.4毫米～1.2毫米的钢丸的疲劳寿命测试数据为3000～4900转。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的用于金属表面清理和强化的钢丸使用寿命短、硬度偏差大、耐冲击性低等缺陷，提供了一种耐磨性好、使用寿命长、表面强度适中、颗粒尺寸一致性高、硬度偏差小并且适用于高端工件表面清理和强化的钢丸及其制备方法。

本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：

本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸包括下述组分：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，铁补足重量百分比至100％。

在本发明一较佳实施例中，所述的用于金属表面清理和强化的钢丸由下述组分组成：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，余量为铁；百分比为重量百分比。

根据本领域常识，本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸中不可避免地含有杂质。

所述的用于金属表面清理和强化的钢丸载荷下测定的维氏(HV)平均硬度基本上为510±30HV。

所述的用于金属表面清理和强化的钢丸硬度偏差范围基本上为±25HV。

所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的最小密度基本上≥7.8克/每立方厘米。

所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的颗粒尺寸偏差基本上为±0.02毫米。

所述的用于金属表面清理和强化的钢丸一般为圆柱形-CW；椭圆形-G1；准球形-G2或球形-G3。

本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸主要用于金属表面处理的抛丸和喷丸(Blasting和Shot Peening)，能够同时起到清理金属表面和强化金属表面的功能。

本发明还提供了所述用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法，其包括下述工艺步骤：

(1)将组分与本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸一致的钢材，冷拉拔，酸洗，热处理，拉丝，切割；

(2)筛分，即得；或经表面磨圆强化，筛分，形选，即得。

其中，所述的组分与本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸一致的钢材包括下述组分：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，铁补足重量百分比至100％。较佳地，所述的组分与本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸一致的钢材由下述组分组成：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，余量为铁；百分比为重量百分比。

其中，所述的钢材较佳的为经冷轧或热轧的线材或盘条。

其中，所述的冷拉拔参照本领域常规冷拉拔方法进行，较佳地重复进行3-5道。

其中，所述的酸洗参照本领域常规的酸洗方法进行。

其中，所述的热处理参照本领域常规的热处理方法进行，较佳的为真空等温退火热处理，从而降低线材或盘条的强度，不至于在拉丝过程中断丝。

其中，所述的拉丝参照本领域常规的拉丝方法进行，较佳地为按照产品规格要求，再经过5-15道的冷拉拔，拉成尺寸在0.3-2.0毫米之间的钢丝。

其中，所述的切割参照本领域常规的切割方法进行，较佳地将钢丝切割成与直径一致的圆柱体。

其中，所述的表面磨圆强化采用本领域常规的表面磨圆强化方法，用磨圆强化设备对圆柱体切段进行撞击磨圆并使表面硬度提高，达到提高硬度的强化结果。

其中，所述的形选采用本领域常规的形选方法，用形选设备，对筛分后的强化钢丸进行形状的选择。

其中，所述的筛分参照本领域常规的筛分方法，较佳地按照所述钢丸的尺寸规格要求，进行2-3次筛分。

较佳地，将上述步骤中制得的用于金属表面清理和强化的钢丸进行检测后包装入库。

其中，所述的检测一般为硬度、密度和疲劳寿命检测中的一种或多种。

本发明中，上述优选条件可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的原料和试剂均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸具有很好的耐久性，使用寿命明显高于现有技术16-25％。

2、本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸采用元素成份比例与用于金属表面清理和强化的钢丸一致的冷轧或热轧线材或盘条为原料生产而成，因此用于金属表面清理和强化的钢丸的元素比例一致性高、密度高、硬度偏差比较小、颗粒尺寸一致性高、表面强度适中，特别适用于高端工件的表面处理。

3、通过本发明的制备方法生产得到的用于金属表面清理和强化的钢丸不会出现空心，以及表面或隐性裂纹现象，表面形状一致性好。

具体实施方式

下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。

用于金属表面清理和强化的钢丸按照形状可以分为四类：

圆柱形-CW；椭圆形-G1；准球形-G2；球形-G3。

下述实施例中筛分的方法为用称重精度不低于0.1克的天平称出被测用于金属表面清理和强化的钢丸1000克，然后放在第一层筛网中过筛，收集残留在筛网上的用于金属表面清理和强化的钢丸，称重计算出占总样重量的百分比；然后再将第一层筛网通过的用于金属表面清理和强化的钢丸放入第二层筛网过筛，收集残留在第二层筛网上的用于金属表面清理和强化的钢丸，称重计算出占总样重量的百分比；然后再将第二层筛网通过的用于金属表面清理和强化的钢丸放入第三层筛网过筛，收集残留在第三层筛网上的用于金属表面清理和强化的钢丸，称重计算出占总样重量的百分比；最后收集第三层通过的用于金属表面清理和强化的钢丸，称重计算出占总样重量的百分比，即得出尺寸分布比例。整个测试过程可以放在三筛重叠的振动筛上一次性测试。

(1)第一层筛网：筛网孔径为用于金属表面清理和强化的钢丸的公称尺寸+0.1毫米；

(2)第二层筛网：筛网孔径为用于金属表面清理和强化的钢丸的公称尺寸，即公称尺寸±0.0毫米；

(3)第三层筛网：筛网孔径为用于金属表面清理和强化的钢丸的公称尺寸-0.1毫米；

(4)丸粒放大25倍目测，去除表面形状不规则的产品，不合格率≤0.3％。

例如：测定公称尺寸为1.0毫米用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸分布比例用标准筛网三个，第一层筛网孔径为1.1毫米，第二层筛网孔径为1.0毫米，第三层筛网孔径为0.9毫米，底部放无孔容器。

第一、二、三层筛网的残留率和通过率的测试方法为：

第X筛的残留率：经过第X筛网筛选后，留在第X筛网上的残余量占总样重量的百分比。

最后通过率：经过三层筛网筛选后，最后被筛选下去的残余量占总样重量的百分比。

硬度检测的方法为：随机取50粒用于金属表面清理和强化的钢丸，进行冷镶嵌制样块，然后用磨抛机磨至钢丸公称直径的三分之一处，然后抛光，抛光面用3％的硝酸酒精溶液擦拭，从处理好的抛光面上选取不低于20个用于金属表面清理和强化的钢丸，按照GB/T 4340.1-1999标准测试其维氏硬度，直径0.3毫米及以下的用于金属表面清理和强化的钢丸的载荷为4.9035N(HV0.5)，0.4-2.0毫米的用于金属表面清理和强化的钢丸载荷为9.807N(HV1)，每个用于金属表面清理和强化的钢丸检测一次，20个硬度值相加后取算数平均值，并且其任何测试值必须在规定的硬度范围内。

疲劳寿命测试方法：

本发明所有实施例中的疲劳寿命数据均采用了本领域公认的，最为权威的方法测试得到。

具体测试方法为：随机抽取220克钢丸，再从220克中取出100克钢丸，将100克钢丸全部放入Ervin试验机中测试。Ervin试验机每250圈为一个循环。每一个循环试验后用标准筛筛选出小于筛眼尺寸的钢丸和灰尘，用备用钢丸补充其损失的钢丸重量，依次类推继续循环试验，直至最后一次循环中损失的钢丸重量累计达到和超过100克，停止试验，记录损失的钢丸重量和累计损失重量，计算出试验圈数即为钢丸的疲劳寿命圈数(疲劳寿命临界点)。其中，标准筛的筛眼尺寸根据钢丸磨料大小进行选择，选择标准如表1所述。例如，当钢丸尺寸为0.4mm-0.3mm，且硬度为480-540HV时，选用筛眼直径为0.18mm的标准筛；当钢丸尺寸为2.0mm-1.0mm时，选用筛眼直径为0.43mm的标准筛。

表1试验标准

钢丸磨料大小	HV/HRC硬度	每次试验运行次数	筛眼尺寸
				2.0mm-1.0mm	480-540HV/48-52HRC	250	0.0165英寸/0.43mm
0.9mm-0.5mm	480-540HV/48-52HRC	250	0.0117英寸/0.3mm
				0.4mm-0.3mm	480-540HV/48-52HRC	250	0.0070英寸/0.18mm

疲劳寿命圈数的具体计算公式为：

疲劳寿命圈数＝总次数-(每次试验运行的次数/最后一次的损失重量)(累计损失重量-100克)。循环使用的次数越高，表明使用寿命越长。

举例说明：将某一钢丸进行疲劳寿命测试，在每次循环250圈后分别记录该次的损失重量以及累计损失重量。以表2为例，当将钢丸累计循环到1500圈时累计损失重量超过了100克，则停止试验。由于最后250圈损失重量为17.6克，因此其使用寿命为：1500-(250/17.6)(104.5-100)＝1436次循环使用寿命。

表2

累积次数	损失重量(克)	累计损失重量(克)
			250	7.0	7.0
500	16.9	23.9
			750	21.5	45.4
1,000	21.9	67.3
			1,250	19.6	86.9
1,500	17.6	104.5

表面磨圆强化的方法为：将圆柱体切段以70-100米/秒的初速度抛射出，经过0.3-0.5米的距离后撞击设备护板，根据反复撞击强化时间的不同控制强化形状和硬度。

强化具体时间为：CW-0分钟；G1-30-50分钟；G2-50-80分钟；G3-80-100分钟。

下述各实施例中，除另有说明的以外，所述的百分比皆为重量百分比。

实施例1

原料：线材中元素成分比例按重量百分比组成为碳0.7％，锰0.75％，硅0.2％，硫0.015％和磷0.02％，铁补足重量百分比至100％。

制备方法：

1、根据上述原料要求进行选料，将线材冷拉拔3道，经过弱硫酸浸洗和两次真空等温退火热处理，得半成品钢丝；

2、拉丝：经过5-15道的冷拉，拉成0.3-2.0毫米之间不同直径的钢丝；其硬度范围为HV480±25HV。

3、切割：用切丝机将钢丝切割成与直径一致的圆柱体切段，剪切截面要求平整、无毛刺、无拖尾。

4、筛分：对于不同的钢丸的公称尺寸进行筛分。筛分的公称尺寸为0.3-2.0毫米。

5、进行硬度、密度和疲劳寿命检测。

由此制得的圆柱形的用于金属表面清理和强化的钢丸的组分重量比为：碳0.7％，锰0.75％，硅0.2％，硫0.015％和磷0.02％，铁补足重量百分比至100％。

用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸分布比例数据见表3，钢丸的最后通过率为≤0.6％。用于金属表面清理和强化的钢丸的标准公称尺寸范围：0.30-2.00毫米。用于金属表面清理和强化的钢丸的硬度等级和硬度范围见表4，性能数据见表5。

表3

表4

用于金属表面清理和强化的钢丸等级(0.3mm-2.0mm)	标准硬度	硬度偏差
			510级	510HV	HV480-540

表5

由表5可知，钢丸尺寸越大，使用寿命越短。在现有技术公开的钢丸尺寸范围内，本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸的使用寿命相对于现有技术至少提高了16-23％。本实施例中的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸为1.6毫米时，失效疲劳寿命仍可达3600转；尺寸为2.0毫米时，可达3100转。而专利CN 101337338A中，钢丸尺寸为1.2毫米时，寿命仅为3000转。由此说明本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸与现有技术相比，使用寿命有明显提高。实施例1中的制得的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸偏差、硬度偏差都很小。经过肉眼或显微镜放大观察，钢丸表面没有裂纹现象，表面形状差异小。称重后证实制得的用于金属表面清理和强化的钢丸都是实心的，没有空心现象。

实施例2

原料：盘条中元素成分比例按重量百分比组成为碳0.75％，锰0.7％，硅0.25％，硫0.02％和磷0.015％，铁补足重量百分比至100％。

制备方法：

1、根据上述原料要求进行选料，将盘条冷拉拔5道，经过弱硫酸浸洗和两次真空等温退火热处理，得半成品钢丝；

2、拉丝：经过5-15道的冷拉，拉成0.3-2.0毫米之间不同直径的钢丝；其硬度范围为HV480±25HV。

3、切割：用切丝机将钢丝切割成与直径一致的圆柱体切段，剪切截面要求平整、无毛刺、无拖尾。

4、表面磨圆强化后筛分：对于不同的钢丸的公称尺寸进行筛分。筛分的公称尺寸为0.3-2.0毫米。

5、形选后进行硬度、密度和疲劳寿命检测，包装入库。

由此制得CW、G1、G2和G3四种形状的用于金属表面清理和强化的钢丸。用于金属表面清理和强化的钢丸的组分重量比为：碳0.75％，锰0.7％，硅0.25％，硫0.02％和磷0.015％，铁补足重量百分比至100％。

用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸分布比例数据见表6，钢丸的最后通过率为：CW≤0.6％，G1≤0.5％，G2≤0.5％，G3≤0.5％。用于金属表面清理和强化的钢丸的标准公称尺寸范围：0.30-2.0毫米。用于金属表面清理和强化的钢丸的硬度等级和硬度范围见表7，性能数据见表8。

表6

表7

表8

由表8可知，钢丸尺寸越大，使用寿命越短。在现有技术公开的钢丸尺寸范围内，本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸的使用寿命相对于现有技术至少提高了16-20％。本实施例中的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸为1.6毫米时，失效疲劳寿命仍可达3600转；尺寸为2.0毫米时，可达3000转。而专利CN 101337338 A中，钢丸尺寸为1.2毫米时，寿命仅为3000转。由此说明本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸与现有技术相比，使用寿命有明显提高。实施例2中的制得的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸偏差、硬度偏差都很小。经过肉眼或显微镜放大观察，钢丸表面没有裂纹现象，表面形状差异小。称重后证实制得的用于金属表面清理和强化的钢丸都是实心的，没有空心现象。

实施例3

原料：盘条中元素成分比例按重量百分比组成为碳0.72％，锰0.8％，硅0.3％，硫0.01％和磷0.01％，铁补足重量百分比至100％。

制备方法同实施例2。

由此制得CW、G1、G2和G3四种形状的用于金属表面清理和强化的钢丸。用于金属表面清理和强化的钢丸的组分重量比为：碳0.72％，锰0.8％，硅0.3％，硫0.01％和磷0.01％，铁补足重量百分比至100％。

用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸分布比例数据同表6，钢丸的最后通过率为：CW≤0.6％，G1≤0.5％，G2≤0.5％，G3≤0.5％。用于金属表面清理和强化钢丸的标准公称尺寸范围：0.30-2.00毫米。用于金属表面清理和强化钢丸的硬度等级和硬度范围同表7，性能数据见表9。

表9

由表9可知，钢丸尺寸越大，使用寿命越短。在现有技术公开的钢丸尺寸范围内，本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸的使用寿命相对于现有技术至少提高了18-25％。本实施例中的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸为1.6毫米时，失效疲劳寿命仍可达3800转；尺寸为2.0毫米时，为3200转。而专利CN 101337338 A中，钢丸尺寸为1.2毫米时，寿命仅为3000转。由此说明本发明的用于金属表面清理和强化的钢丸与现有技术相比，使用寿命有明显提高。实施例3中的制得的用于金属表面清理和强化的钢丸的尺寸偏差、硬度偏差都很小。经过肉眼或显微镜放大观察，钢丸表面没有裂纹现象，表面形状差异小。称重后证实制得的用于金属表面清理和强化的钢丸都是实心的，没有空心现象。

Claims (9)

1.一种用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于：所述的用于金属表面清理和强化的钢丸由下述组分组成：碳0.7-0.75％，锰0.7-0.8％，硅0.2-0.3％，硫0.01-0.02％和磷0.01-0.02％，余量为铁；百分比为重量百分比；所述钢丸按下述步骤制备：(1)将组分与所述钢丸一致的钢材，冷拉拔，酸洗，热处理，拉丝，切割；(2)筛分，即得；或经表面磨圆强化，筛分，形选，即得。

2.如权利要求1所述的用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于：所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的维氏平均硬度为510HV±30HV。

3.如权利要求1所述的用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于：所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的硬度偏差范围为±25HV。

4.如权利要求1所述的用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于：所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的最小密度为≥7.8克/立方厘米。

5.如权利要求1所述的用于金属表面清理和强化的钢丸，其特征在于：所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的颗粒尺寸偏差为±0.02毫米。

6.权利要求1所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法，其包括下述工艺步骤：(1)将组分与权利要求1中的用于金属表面清理和强化的钢丸一致的钢材，冷拉拔，酸洗，热处理，拉丝，切割；

(2)筛分，即得；或经表面磨圆强化，筛分，形选，即得。

7.如权利要求6所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法，其特征在于：所述的钢材为经冷轧或热轧的线材或盘条；所述的冷拉拔重复进行3-5道；所述的热处理为真空等温退火热处理；所述的拉丝为再经过5-15道的冷拉拔，拉成尺寸在0.3-2.0毫米之间的钢丝；所述的切割为将钢丝切割成与直径一致的圆柱体；所述的筛分的次数为2-3次。

8.如权利要求6或7所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法，其特征在于：将步骤(2)中得到的用于金属表面清理和强化的钢丸进 行检测后包装入库。

9.如权利要求8所述的用于金属表面清理和强化的钢丸的制备方法，其特征在于：所述的检测为硬度、密度和疲劳寿命检测中的一种或多种。