不同拋丸處理工藝對A380合金鑄件表面質量的影響

黃曼曼

（唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

擠壓鑄造具有金屬液的利用率高、選材范圍廣、所得鑄件組織性能優良及精度高等優點，現已被廣泛應用于汽車、航空航天、機械等領域，它在滿足強度要求的同時還可實現輕量化[1，2]。擠壓鑄件不僅需要滿足硬度要求，其表面還需具有一定的粗糙度以便進行涂裝及美觀等，但當粗糙度過大時又會產生應力集中，縮短產品的使用壽命[3，4]。國內外研究可知[5，6]，通過拋丸處理可增加鑄件表面的壓應力，同時降低裂紋產生的幾率，有效提高零件的疲勞強度，但拋丸處理可同時影響鑄件的硬度及粗糙度。本文對A380鋁合金擠壓鑄件采用不同的拋丸處理工藝，對經處理后工件的硬度及表面粗糙度進行測試分析。

1 實驗方法

A380鋁合金的化學成分如下 ：Si：9.2、Fe：0.86、Cu：3.5、Mn：0.18、Mg：0.09、Zn：0.86、Ti：0.02、Ni：0.06、Sn：0.02，其余為Al。從擠壓鑄件上截取6mm厚的矩形板為試樣進行分析，采用最大轉速為1700r/min的立式拋丸清理機對試樣進行拋丸處理，拋丸的溫度為25℃。試驗所控制的變量為鋼丸直徑（0.50mm、0.30mm）、拋 丸 速 度（800r/min、1200r/min、1600r/min）、拋丸時間（150s、300s、450s），試驗采用正交數據控制單一變量的方法進行研究分析，共制備18個試樣采用18種工藝，如表1所示。其中未經拋丸處理的A380擠壓鑄件的表面粗糙度Ra為1.526μm，硬度（HV）為104。采用硬度儀和表明輪廓測量儀對經拋丸處理后試樣得硬度和粗糙度Ra進行測試，同時采用掃描電鏡SU3500對試樣的表面形貌進行觀察分析。

2 結果與分析

2.1 拋丸工藝對A380鑄件粗糙度及表面硬度的影響

試驗測試所得經拋丸處理后鑄件的粗糙度Ra如圖1，觀察圖1a可發現，當拋丸時間為150s和300s時，粗糙度隨拋丸速度的增加而升高，當拋丸速度為1600r/min時，其表面粗糙度分別為4.526μm、5.217μm，比拋丸速度為1200r/min的粗糙度分別提高約6.9%、1.8%。總體上看當拋丸時間越長時粗糙度越高，但當拋丸速度為800r/min，時間為450s時，粗糙度僅為2.510μm，這說明當拋丸速度較低時，拋丸時間過長會使粗糙度下降。這可能是由于體積較大且速度較低的鋼丸并未對鑄件表面組織產生足夠的壓強使其發生拉伸變形[3]。在1200r/min、450s時其粗糙度約為6.142μm，但當1600r/min其粗糙度又低至5.261μm，這可能與鑄件組織較致密且無明顯缺陷有關。

觀察圖1b可發現，當鋼丸直徑為0.30mm時，試樣的表面粗糙度Ra隨拋丸速度的升高而增加，當拋丸時間越長速度越低時，所得試樣的粗糙度越低。當拋丸速度為1600r/min時所得粗糙度的值均較大，當拋丸時間為450s時為最大值6.496μm。觀察圖1還可發現，當鋼丸直徑為0.50mm、0.30mm時，試樣的粗糙度總值分別為39.949μm，38.984μm，兩者相差較小，這說明鋼丸直徑對粗糙度的影響不大。經拋丸處理后所得試樣粗糙度的最大值和最小值均出現在拋丸時間為450s時，所以在實際生產時應綜合考慮拋丸速度和鋼丸直徑對粗糙度的影響。

圖2所示為A380鑄件試樣經拋丸處理后硬度測試的結果，觀察圖2a可發現，總體來說當拋丸速度越大，拋丸時間越長時，其表面硬度越高，但在1200r/min、150s時其硬度為116，與800r/min的硬度值120相比有所下降，這可能是由于表面硬度受拋丸時間和速度的綜合影響，雖然拋丸速度增加使得強化層厚度增加，但硬化層中出現了連續斷層的缺陷，導致硬度下降，當拋丸速度升至1600r/min時，鋼丸對試樣的沖擊力增大，使得硬化層增加，表面斷層缺陷減少，進而使硬度得到提升。觀察圖2b可發現類似的現象，當工藝為150s、1200r/min時試樣的硬度為115，與800r/min時試樣的硬度121相比有所下降。當工藝為300s、800r/min時試樣的硬度最低僅為105，觀察該試樣的表面形貌可發現硬化層上存在大量的顆粒狀組織及斷層，這主要是由于較低的拋丸速度使硬化層變薄且出現大量的缺陷，造成硬度明顯下降。

圖1 經拋丸處理后所得鑄件表面的粗糙度Ra

圖2 經拋丸處理后所得鑄件的硬度

拋丸強化就是通過鋼丸高速且連續的沖擊使工件的表層結構發生翻滾并氧化，使得靶材的表層結構發生了以下變化：非均勻的塑變內表層產生殘余拉應力、外表層產生殘余壓應力；表面粗糙度發生變化；微觀組織結構發生改性[7]。通過這些變化可提高材料的抗疲勞斷裂性能，防止其發生疲勞失效、脆斷和塑性變形等，進而提高工件的疲勞壽命[8]。

2.2 拋丸工藝對A380鑄件表面形貌的影響

經0.50mm鋼丸進行拋丸處理后試樣的形貌，經拋丸處理后試樣硬度的提升主要取決于鋼丸所產生的表面壓應力大小，組織裂紋缺陷分布和加工硬化程度。由于鋼丸對試樣表面的不斷沖撞，使上表層因拉伸出現塑性凹坑，而塑性層以下的彈性層產生壓應力，所以通過試樣表面的凹陷程度可以觀察殘余應力的大小。

由于工藝1的拋丸速度低且拋丸時間短，所以對試樣表面的沖擊較小且出現了不規則的凹坑，發生了較輕的加工硬化和較小壓應力，所以此時硬度提高的并不明顯。與工藝1相比，工藝4的拋丸速度為1200r/min，觀察可發現試樣表面的擊打痕跡分布很均勻，但觀察可發現，凸起的下方出現了連續斷層的缺陷，破壞了金屬原子間鍵合，當表面受壓力載荷時該斷層缺陷發生回縮，使得壓應力下降，所以與工藝1相比硬度變化不大但粗糙度明顯上升。

兩種工藝相互比較，其中一種的拋丸時間增至450s，由于沖擊形成了更大的凹陷且出現大量的斷層，硬度約為147。這主要由于試樣表面被充分的擊打產生了較大的變形，使得塑性變形的厚度增加，硬度升高，而較高的拋丸速度阻止了部分翻滾后的組織發生原子鍵合，導致了裂紋的產生。其表面粗糙度為6.142μm，這主要是由于試樣表面發生了較大的變形和較多缺陷，使局部出現高低不平的現象。在這一速度下鋼丸的沖擊力使得塑性變形層的厚度增加，殘余應力增大，組織之間可以形成金屬原子的鍵合，提高其承受壓力荷載的韌性。鋼丸直徑為0.30mm時，筆者觀察表面形貌發現與上圖的規律基本類似。但試樣的表面均出現麻狀顆粒狀組織，這些顆粒狀組織使得表面受壓力荷載時容易發生斷裂，增加表面脆性，提高了表面缺陷的密度，這也是0.30mm鋼丸直徑硬度低于0.50mm的主要原因。

3 結論

經拋丸處理后A380鋁合金擠壓所得鑄件的表面硬度由116升至165，同時粗糙度Ra在2.510μm～6.496μm之間；總體上說當拋丸時間越長，速度越高時，所得試樣的粗糙度越大，而鋼丸直徑對試樣粗糙度的影響不大。當鋼丸直徑為0.30mm，拋丸速度分別為800r/min、1600r/min，拋丸時間為450s時所得試樣的粗糙度分別為3.495μm、6.496μm。當拋丸時間越長、拋丸速度越高時，所得試樣的硬度越高；由于試樣表面強化層厚度的增加、凹坑的加深、表面缺陷的增加使得試樣表面的粗糙度增大。