CN102941536A - 一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法 - Google Patents

一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，该方法为：采用喷丸机对弹簧进行预强化精整复合喷丸处理，预强化精整复合喷丸处理包括三道工序：第一道工序喷丸强度0.23Amm，第二道工序喷丸强度0.45Amm，第三道工序喷丸强度0.15Amm，三次喷丸的弹丸介质相同，得到处理后的弹簧产品。与现有技术相比，本发明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。

Description

一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法
技术领域
本发明涉及一种采用预强化精整复合喷丸工艺，对弹簧试件进行喷丸强化处理。用于弹簧材料或零件表面强化技术领域。
背景技术
表面喷丸强化技术是提高弹簧等零件抗疲劳、抗应力腐蚀以及延长使用寿命的关键制造工艺，目前广泛应用于弹簧加工业界。喷丸处理所导致的材料表层变化包括引入残余压应力场、产生形变细化组织结构以及表面粗糙度改变，其中喷丸残余压应力场和喷丸形变细化组织结构均有助于延长金属零部件的使用寿命，表面粗糙度增加虽然略微降低材料表面的某些性能，但可以通过优化受控喷丸工艺参数，以避免零件表面粗糙度改变所带来的一些不利影响。
预强化精整复合喷丸工艺要点是，第一道预强化喷丸在材料表层产生一定加工硬化效应，从而在第二道强化喷丸中不至过分增加表面粗糙度，第三道精整喷丸则进一步降低表面粗糙度。结果表明，经过一次强化喷丸、预强化复合喷丸及预强化精整复合喷丸后残余压应力、衍射半高宽和显微硬度沿层深分布深度接近，但预强化复合喷丸尤其是预强化精整复合喷丸工艺的表面粗糙度更低、表面残余压应力更大、表面形变组织结构更明显以及表面显微硬度更高，会大大提高弹簧钢的力学性能和使用寿命。此方法不但便捷而且更有效。
本发明的目的是克服传统喷丸技术表面处理的弹簧钢表面粗糙度大的不足，提供一种既能明显降低表面粗糙度，又能有效增强材料表面力学性能的新型喷丸技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效提高弹簧钢表面残余压应力并能降低表面粗糙度的新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，该方法为：采用喷丸机对弹簧进行预强化精整复合喷丸处理，预强化精整复合喷丸处理包括三道工序：第一道工序喷丸强度0.23Amm，第二道工序喷丸强度0.45Amm，第三道工序喷丸强度0.15Amm，三次喷丸的弹丸介质相同，得到处理后的弹簧产品。
所述的处理后的弹簧产品的粗糙度为：Ra1.89/Rz9.50μm。
所述的喷丸机为气动喷丸机，该气动喷丸机采用的弹丸介质为G3钢丝切丸，弹丸直径为0.6mm，弹丸硬度为55HRC。
所述的处理后的弹簧产品的粗糙度采用TR220表面粗糙度仪测量，每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值即得处理后的弹簧产品的粗糙度，并绘制出各种工序喷丸表面的轮廓线。
所述的处理后的弹簧产品借助X射线应力分析仪并结合电化学剥层技术，测定弹簧产品喷丸残余应力及其沿材料层深的分布曲线，具体为：对弹簧预强化精整复合喷丸层进行X射线衍射测量，获取衍射谱半高宽，在获取衍射半高宽后，来间接说明晶粒大小的变化规律，并建立起该种材料半高宽与腐蚀层深之间的关系。
在测量X射线衍射谱线时，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片，测定弹簧产品喷丸残余应力X射线弹性常数为：S2/2＝5.92×10-6MPa-1及S1＝-1.28×10-6MPa-1，在2θ范围内确保衍射峰完整。
所述的电化学剥层技术：电压：6V，电流1A，饱和NaCl溶液为电解质，剥层每次0.01mm，共十二次；测量每次剥层后，建立起材料残余应力、衍射半高宽、显微硬度和腐蚀层深之间的关系。
所述的处理后的弹簧产品借助DHV-1000型显微硬度计，配备相关的压痕图象分析软件，测量各种喷丸层显微硬度HV50及其沿层深的分布关系，在同一层深随机测量3个点的显微硬度，最后取其平均值。
对采用本发明方法处理后的弹簧产品进行性能检测，包括测试的材料表面粗糙度、残余应力、衍射半高宽、显微硬度等，具体包括：
(1)建立不同喷丸技术与其处理的材料表面粗糙度之间的关系
利用TR220表面粗糙度仪，由计算机控制和数据计算，测量各种工艺喷丸表面的粗糙度，主要检测的粗糙度参数包括Ra和Rz等，其中取样长度0.4mm并且连续取5段，每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值。最后绘制出各种工艺喷丸表面的轮廓线，并对不同喷丸技术处理的材料表面粗糙度进行对比。
(2)建立残余应力与层深的关系
其工作原理是，利用X衍射应力分析测量方法，为了与残余应力测量相配套，选择Fe(211)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，在2θ范围内确保衍射峰完整。结合电化学腐蚀剥层技术对喷丸试样表面残余应力进行测量。利用已测喷丸处理后不同层深为横坐标以及已测对应残余应力为纵坐标，建立残余应力与层深之间的关系。并比较不同喷丸技术对弹簧材料表面残余应力的影响。
(3)材料X射线衍射，获取衍射线形。
其工作原理是，X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，衍射线形是由晶体材料的微结构决定。根据弹簧材料的衍射谱线，选择Fe(211)衍射晶面。具体测试参数为：管电压：30Kv，管电流：25mmA，Cr-Kα辐射，用Ni为滤波片，以确保衍射X射线的单色性，从而保证了测量结果的可靠性。通过衍射峰形直接获得半高宽，利用衍射峰半高宽，间接表征材料的不同喷丸形变细化组织。
(4)建立不同喷丸技术处理的材料表面X衍射峰线半高宽与层深的关系
其工作原理是，利用X射线衍射获取预测区域衍射线形，获得半高宽。衍射半高宽是衍射线形的一个重要参数，晶粒越大衍射半高宽越窄，通过晶粒与半高宽的关系计算出所测点材料晶粒的大小。并以层深为横坐标以其对应X衍射峰线的半高宽为从坐标，建立不同层深与其对应的X衍射峰线的半高宽之间的关系，比较不同喷丸技术处理的弹簧材料表面X衍射峰线半高宽，来间接说明不同喷丸技术对弹簧材料晶粒大小的影响。
(5)建立不同喷丸技术处理的材料表面硬度与层深的关系
借助电化学腐蚀方法，从喷丸表面腐蚀到材料不同深度，借助DHV-1000型显微硬度计，配备相关的压痕图象分析软件，测量各种工艺喷丸层显微硬度及其沿层深的分布，施加载荷50g，保持载荷时间15s，在同一层深随机测量3个点的显微硬度，最后取其平均值。最后，比较不同喷丸技术处理的材料表面硬度之间的大小。
比较与传统喷丸技术得到的材料性能，会发现新型的弹簧预强化精整复合喷丸技术会明显优于传统喷丸工艺。
与现有技术相比，本发明所提出的预强化精整复合喷丸方法，可明显提高弹簧材料的力学性能。与传统喷丸技术相比，预强化精整复合喷丸加工后的弹簧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)，弹簧材料表面力学性能更加优良。
附图说明
图1为一次喷丸(0.45Amm)表面轮廓线，预强化复合喷丸(0.23+0.45Amm)表面轮廓线，预强化精整复合喷丸(0.23+0.45+0.15Amm)表面轮廓线比较图；
图2为一次喷丸(0.45Amm)、预强化复合喷丸(0.23+0.45Amm)及预强化精整复合喷丸(0.23+0.45+0.15Amm)残余应力沿层深分布图；
图3为一次喷丸(0.45Amm)、预强化复合喷丸(0.23+0.45Amm)及预强化精整复合喷丸(0.23+0.45+0.15Amm)衍射半高宽沿层深分布图；
图4为一次喷丸(0.45Amm)、预强化复合喷丸(0.23+0.45Amm)及预强化精整复合喷丸(0.23+0.45+0.15Amm)显微硬度沿层深分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
选择牌号为60Si2Mn，热处理工艺为870℃油淬火以及450℃回火，调质后的材料硬度为HRC48左右。经过线切割成尺寸为：30×20×5mm3的弹簧钢作为试样。对该试样分别进行一次喷丸处理，预强化复合喷丸处理以及采用本发明的预强化精整复合喷丸处理，并比较处理后的产品性能。
对比例1
一次喷丸处理
利用气动式喷丸机，对试样进行喷丸处理：一次喷丸工艺，利用气动喷丸机，G3钢丝切丸，弹丸直径0.6mm，弹丸硬度55HRC，喷丸强度0.45Amm，覆盖率200％以上。
对比例2
预强化复合喷丸处理
预强化复合喷丸工艺包括两道工序，第一道工序喷丸强度0.23Amm，第二道工序喷丸强度0.45Amm，两次喷丸的弹丸介质不变，其中第一道喷丸主要目的是对材料近表面进行初步强化处理，第二道喷丸才是喷丸强化的主要工序。然而经过0.23Amm预强化喷丸后，因材料表面发生了加工硬化现象，在后续强化喷丸过程中不至于过分增加喷丸表面粗糙度。
实施例1
预强化精整复合喷丸处理
采用喷丸机对弹簧进行预强化精整复合喷丸处理，预强化精整复合喷丸处理包括三道工序：第一道工序喷丸强度0.23Amm，第二道工序喷丸强度0.45Amm，第三道工序喷丸强度0.15Amm，三次喷丸的弹丸介质相同，其中第三道0.15Amm精整喷丸可进一步降低喷丸表面粗糙度，得到处理后的弹簧产品。
所述的喷丸机为气动喷丸机，该气动喷丸机采用的弹丸介质为G3钢丝切丸，弹丸直径为0.6mm，弹丸硬度为55HRC。
对上述三种处理后的弹簧试样进行性能测试：
(1)电化学腐蚀
对试样表层进行腐蚀剥层，每层厚度为0.01mm，共十二次。电化学腐蚀参数为：电压6V，电流1A，饱和NaCl电解液。
(2)X射线衍射谱线
利用X射线应力仪采集喷丸处理后不同层深的衍射谱线，具体参数为：管电压：30Kv，管电流：25mmA，Ni滤波片，Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面。通过衍射谱线获得不同层深半高宽数值，如图3所示。
(3)建立不同喷丸技术与其处理的材料表面粗糙度之间的关系
利用TR220表面粗糙度仪，由计算机控制和数据计算，测量各种工艺喷丸表面的粗糙度，主要检测的粗糙度参数包括Ra和Rz等，其中取样长度0.4mm并且连续取5段，每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值。最后绘制出各种工艺喷丸表面的轮廓线，并对不同喷丸技术处理的材料表面粗糙度进行对比，如图1所示。
(4)建立残余应力与层深的关系
其工作原理是，利用X衍射应力分析测量方法，结合电化学腐蚀剥层技术对喷丸试样表面残余应力进行测量。利用已测喷丸处理后不同层深为横坐标以及已测对应残余应力为纵坐标，建立残余应力与层深之间的关系。并比较不同喷丸技术对弹簧材料表面残余应力的影响，如图2所示。
(5)建立不同喷丸技术处理的材料表面X衍射峰线半高宽与层深的关系
其工作原理是，利用X射线衍射获取预测区域衍射线形，获得半高宽。衍射半高宽是衍射线形的一个重要参数，晶粒越大衍射半高宽越窄，通过晶粒与半高宽的关系计算出所测点材料晶粒的大小。并以层深为横坐标以其对应X衍射峰线的半高宽为从坐标，建立不同层深与其对应的X衍射峰线的半高宽之间的关系，比较不同喷丸技术处理的弹簧材料表面X衍射峰线半高宽，来间接说明不同喷丸技术对弹簧材料晶粒大小的影响，如图3所示。
(6)建立显微硬度与层深之间的关系
借助电化学腐蚀方法，从喷丸表面腐蚀到材料不同深度，借助DHV-1000型显微硬度计，配备相关的压痕图象分析软件，测量各种工艺喷丸层显微硬度及其沿层深的分布，施加载荷50g，保持载荷时间15s，在同一层深随机测量3个点的显微硬度，最后取其平均值。对应不同层深显微硬度为纵坐标以层深为横坐标建立相应关系。图4为弹簧钢60Si2Mn显微硬度与腐蚀层深之间的关系。
测量结果表明，预强化精整复合喷丸加工后的弹簧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)，弹簧材料表面力学性能更加优良。预强化精整复合喷丸加工技术优势明显，易操作，可大规模生产，经济效益高。

Claims (8)

1.一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，该方法为：采用喷丸机对弹簧进行预强化精整复合喷丸处理，预强化精整复合喷丸处理包括三道工序：第一道工序喷丸强度0.23Amm，第二道工序喷丸强度0.45Amm，第三道工序喷丸强度0.15Amm，三次喷丸的弹丸介质相同，得到处理后的弹簧产品。
2.根据权利要求1所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的处理后的弹簧产品的粗糙度为：Ra1.89/Rz9.50μm。
3.根据权利要求1所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的喷丸机为气动喷丸机，该气动喷丸机采用的弹丸介质为G3钢丝切丸，弹丸直径为0.6mm，弹丸硬度为55HRC。
4.根据权利要求2所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的处理后的弹簧产品的粗糙度采用TR220表面粗糙度仪测量，每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值即得处理后的弹簧产品的粗糙度，并绘制出各种工序喷丸表面的轮廓线。
5.根据权利要求1所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的处理后的弹簧产品借助X射线应力分析仪并结合电化学剥层技术，测定弹簧产品喷丸残余应力及其沿材料层深的分布曲线，具体为：对弹簧预强化精整复合喷丸层进行X射线衍射测量，获取衍射谱半高宽，在获取衍射半高宽后，来间接说明晶粒大小的变化规律，并建立起该种材料半高宽与腐蚀层深之间的关系。
6.根据权利要求5所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，在测量X射线衍射谱线时，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片，测定弹簧产品喷丸残余应力X射线弹性常数为：S2/2＝5.92×10-6MPa-1及S1＝-1.28×10-6MPa-1，在2θ范围内确保衍射峰完整。
7.根据权利要求5所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的电化学剥层技术：电压：6V，电流1A，饱和NaCl溶液为电解质，剥层每次0.01mm，共十二次；测量每次剥层后，建立起材料残余应力、衍射半高宽、显微硬度和腐蚀层深之间的关系。
8.根据权利要求1所述的一种新型的弹簧预强化精整复合喷丸方法，其特征在于，所述的处理后的弹簧产品借助DHV-1000型显微硬度计，配备相关的压痕图象分析软件，测量各种喷丸层显微硬度HV50及其沿层深的分布关系，在同一层深随机测量3个点的显微硬度，最后取其平均值。
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