AF1410鋼零件表面噴丸處理工藝的研究

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 研究背景

金屬材料在循環應力和應變作用下,逐漸產生局部永久性累積損傷,再經一定循環次數后產生裂紋,或突然發生完全斷裂，這一過程稱為疲勞。根據材料破壞前所經歷的循環次數及疲勞荷載應力水平,疲勞可以分為高周疲勞和低周疲勞。在交變載荷作用下的零件,疲勞失效是主要的失效形式。對此,在產品的結構設計、材料選擇、工藝設計及改進等各個階段,都必須考慮提高零件的抗疲勞能力,延長使用壽命。影響零件疲勞強度的主要因素有應力集中、零件尺寸、表面狀態。

AF1410鋼是超高強度合金結構鋼中抗疲勞能力較好的鋼種之一，這一材料具有高強度、高硬度和較高的斷裂韌性[1],保持良好的焊接、切削和成型特性。幾種常見超高強度合金結構鋼的力學性能比較如圖1所示。在航空航天、船舶和特種裝備等領域,需要選擇關鍵承力零件的材料時,AF1410鋼具有十分重要和不可替代的地位[2]。

使用AF1410鋼制作的零件，一般受力較大且較復雜,經常要面對交變應力和應力集中等問題,疲勞失效是此類零件的主要失效形式之一。在產品設計和選材完成后,如何在不改變零件機械性能和尺寸結構的前提下,尋找其它提高零件表面抗疲勞能力的途徑,進而延長零件的使用壽命,是一項重要且迫切的研究課題。筆者對AF1410鋼零件表面噴丸處理工藝進行研究。

2 試驗件研制情況

研究所涉及的AF1410鋼零件試驗件,由超大規格AF1410鋼鍛件加工制作而成。采用真空感應+真空自耗重熔的方法冶煉,鍛件經過900 ℃、1 h正火，680 ℃、長于6 h回火，860 ℃、1 h淬火，-73 ℃、1 h深冷，510 ℃、長于5 h回火，以及空冷后,取三組拉伸和沖擊試驗件進行力學性能測試,結果見表1。

試驗件是所在裝備中的關鍵承力件,主要受力部位在頂部。試驗件頂部呈現L形銳角鉤狀,載荷作用面為銳角的斜面,方向向外，載荷近似于脈動沖擊載荷。試驗件受力如圖2所示。試驗件承受的最大應力為拉應力,應力最大的區域為鉤狀根部,應力最大值接近1 600 MPa。

表1 力學性能測試結果

圖2 試驗件受力

首批試驗件制作完成后,在模擬試驗臺上進行負荷試驗,預定壽命為11 000次。在初階段1 000次負荷試驗后,對試驗件全表面進行磁粉探傷,發現鉤狀根部出現微小裂紋。可見，試驗件未達到預定壽命要求。

根據試驗件的試驗工況進行分析,試驗件所承受的最大應力接近材料的屈服極限,在小于103量級的循環次數下發生疲勞失效,屬于典型的低周應變疲勞[3]。有研究數據表明,具有類似力學性能的AF1410鋼，其應變疲勞壽命只有約1 300次[4]。巨大的沖擊載荷使試驗件產生較大的應力和塑性應變,并在材料表面裂紋源處引發局部應力集中。當應力值大于材料的疲勞極限時,就會發生疲勞破壞。AF1410鋼疲勞斷口的疲勞裂紋源多為零件表面的加工缺陷,如刀痕、細微缺口等[5]。在不改變零件材料和尺寸結構的前提下,如何減小零件的表面應力,提高表面質量,抑制疲勞裂紋的產生和擴展,成為解決問題的關鍵。表面噴丸處理是解決上述問題的一種方法。

3 表面噴丸處理工藝流程

表面噴丸處理指利用高速運動的彈丸流撞擊材料表面,使表層發生塑性變形的過程。噴丸的強化作用主要體現在三個方面:① 材料表層產生循環塑性應變,在變形層引入殘余壓應力場,有效改善材料的抗疲勞能力;② 應變層的位錯密度增大,亞晶粒細化,阻礙疲勞裂紋的萌生和擴展;③ 表層殘余奧氏體向馬氏體轉變,材料表面硬度有所提高。此外,噴丸過程還可以消除加工刀痕和表面晶體缺陷[6]。

噴丸工藝的影響因素主要有噴丸設備、噴丸介質、工件等。對于選定的噴丸設備,一般固定其它參數,通過調整噴丸強度和表面覆蓋率來控制噴丸效果。研究表明,只有在噴丸強度和覆蓋率達到一定數值時,才能有效改善零件的殘余應力分布、微觀組織結構強度和抗疲勞能力[7]。

按照HB/Z 26—2011《航空零件噴丸強化工藝》,根據AF1410鋼試驗件的力學性能選擇合適的噴丸強度,并通過A型阿爾門弧高度試片進行檢測,噴丸表面覆蓋率不低于100%。考慮到零件的使用環境,不允許降低噴丸表面的粗糙度要求,由此制訂三種不同的表面噴丸處理工藝，工藝A為強化噴丸，工藝B為強化噴丸+精整噴丸，工藝C為強化噴丸+精整噴丸+拋光噴丸。顯而易見,工藝B在工藝A的基礎上增加了精整噴丸,工藝C在工藝B的基礎上增加了拋光噴丸。利用同一批次爐號及熱處理的AF1410鋼試驗件進行同步噴丸處理和檢測分析，表面噴丸處理工藝流程如圖3所示。

圖3 表面噴丸處理工藝流程

4 檢測結果及分析

4.1 殘余應力

采用Proto-LXRD型X射線應力儀檢測噴丸層的殘余應力,射線管管電壓為30 kV,管電流為25 mA,準直管直徑為1 mm,采用鉻靶Kα輻射、釩濾波片、鐵(211)衍射晶面。通過電解拋光機對檢測部位進行局部電化學腐蝕,由數顯千分尺測量腐蝕深度，檢測結果如圖4所示。

圖4 殘余應力檢測結果

由圖4可見,三種表面噴丸處理工藝處理后,都使材料表層產生了殘余壓應力。殘余應力都隨層深先增大后減小,在次表層達到最大值。產生以上現象的原因為零件表面噴丸處理時,在材料表層產生塑性變形；當層深達到一定數值時,材料只發生彈性變形；噴丸結束后,材料彈性變形區有恢復到最初狀態的趨勢,但此趨勢受到表層塑性變形區的約束,從而在兩者之間產生內部壓應力。另一方面,噴丸過程中殘余奧氏體向馬氏體轉變,體積膨脹,也有助于產生殘余壓應力。在零件使用過程中,外部載荷產生的拉應力與殘余壓應力方向相反,兩者疊加后,峰值大為減小,從而使疲勞裂紋的產生和發展得到抑制,起到強化的目的[8]。

對三組測試結果進行比較,工藝C的應力強化效果最好，最大殘余應力產生于層深50 μm處,最大值為-1 210 MPa。

4.2 衍射半高寬

采用Proto-LXRD型X射線應力儀,在檢測殘余應力同時檢測噴丸層的衍射半高寬,間接表征噴丸變形組織結構,檢測結果如圖5所示。

衍射半高寬反映了噴丸變形強化組織結構,衍射半高寬越大,表明材料晶塊細化和顯微畸變越大,噴丸變形強化組織結構越明顯,同時噴丸層硬度也越高。由圖5可見,三種表面噴丸處理工藝對材料都具有明顯的強化作用。其中,工藝C表層衍射半高寬為5.557°,強化效果最為顯著。

4.3 殘余奧氏體含量

采用X350A型X射線衍射分析儀檢測噴丸層殘余奧氏體含量,射線管管電壓為25 kV,管電流為5 mA,準直管直徑為1 mm,采用鉻靶Kα輻射、釩濾波片、奧氏體(200)及馬氏體(211)衍射面,掃描范圍為132°～124°和167°～145°,掃描步距為0.1°和0.2°,時間常數為1 s和0.25 s,檢測結果如圖6所示。

圖5 衍射半高寬檢測結果

圖6 殘余奧氏體含量檢測結果

結果表明,三種表面噴丸處理工藝處理后,材料的殘余奧氏體含量降低,且殘余奧氏體含量隨著層深的增大而提高。在噴丸過程中,晶格位錯產生變形,促使γ相向α-馬氏體轉變。變形量越大,轉變越容易發生。因此，在材料表面,轉變發生最充分,殘余奧氏體含量最低。隨著層深的增大,轉變程度越來越小,殘余奧氏體含量逐漸提高。殘余奧氏體向α-馬氏體轉變,會使材料表層的強度、硬度和耐磨性都得到一定程度的提高。當然，AF1410鋼作為一種馬氏體時效鋼,基體本身殘余奧氏體含量較低，僅為2.8%左右,噴丸過程中α-馬氏體的轉變量也較少,對材料產生的強化作用有限。

三種表面噴丸處理工藝的檢測結果總體上符合理論變化趨勢,但未能清晰表現出不同工藝給馬氏體轉變程度帶來的影響。

4.4 顯微硬度

利用電化學方法從噴丸表面電化學腐蝕到不同深度,使用DHV-1000型顯微硬度計,檢測噴丸層顯微硬度。施加50g載荷,在同一層深度重復檢測三點，并取平均值,檢測結果如圖7所示。

圖7 顯微硬度檢測結果

結果表明,三種表面噴丸處理工藝處理后,試驗件表層和強化層的硬度都得到大幅度提高。對三組檢測結果進行比較,工藝C的表層硬度提高幅度最大,表層維氏硬度(HV)最高達到690.8。

4.5 表面粗糙度

利用TR220表面粗糙度儀,由計算機進行控制和計算,檢測應用表面噴丸處理工藝后的試驗件表面粗糙度。取樣長度為0.8 mm，連續取五段,重復檢測三次并取平均值,檢測結果見表2。

表2 表面粗糙度檢測結果

結果表明,三種表面噴丸處理工藝處理后,表面粗糙度均得到了一定程度的改善。這是因為基于合適的噴丸強度,由合適硬度的彈丸對材料表面撞擊,能有效消除機加工表面的尖銳部分和溝壑,使零件表面變得平整圓滑。表面粗糙度值減小,改善了零件表面的應力集中情況,降低了形成表面裂紋的概率[9-10]。對三組檢測結果進行比較,工藝C對表面粗糙度改善的效果最好。

5 結束語

筆者對三種AF1410鋼零件表面噴丸處理工藝進行研究,得到如下結論:

(1) 三種表面噴丸處理工藝都對噴丸層引入了殘余壓應力,對材料起到應力強化作用,其中,工藝C的應力強化效果最佳,最大殘余應力產生于層深50 μm處,最大值為-1 210.2 MPa;

(2) 三種表面噴丸處理工藝均使材料發生了晶塊細化和顯微畸變，其中,工藝C的表層衍射半寬高值達到5.557°,強化效果最為顯著;

(3) 三種表面噴丸處理工藝均引發了殘余奧氏體向α-馬氏體發生轉變,且轉變率隨層深的增大而降低，由于AF1410鋼本身的殘余奧氏體含量較低,因此試驗未能反映出不同工藝對轉變程度大小的影響;

(4) 三種表面噴丸處理工藝處理后,試驗件表層和強化層的硬度都得到了大幅提高，其中,工藝C的表層硬度提高幅度最大,表層維氏硬度(HV)達到690.8;

(5) 三種表面噴丸處理工藝處理后,試驗件的表面粗糙度都得到了改善，其中,工藝C的改善最明顯,表面粗糙度Ra達到0.965 μm。

通過研究可見,強化噴丸+精整噴丸+拋光噴丸的三重噴丸方法對AF1410鋼材料的強化作用最為顯著。在AF1410鋼試驗件的研制中,采用三重噴丸處理工藝,試驗件使用壽命延長到11 000次以上。在不改變零件機械性能和尺寸結構的前提下,通過三重噴丸方法,能有效提高AF1410鋼零件的表面抗疲勞能力，延長使用壽命,為低周疲勞對材料應用的制約提供了一種可行的解決途徑，同時對其它金屬材料的表面強化處理具有參考作用。