拋丸工藝在彈條原材料表面處理中的應用

張遠慶

鐵科（天津）科技有限公司， 天津 301700

近年來我國高速鐵路建設得到迅猛發展，2022 年新增高速鐵路2082 km，高速鐵路總里程達到4.2 萬公里，穩居世界首位［1］。鐵路扣件系統作為鋼軌和軌下基礎結構的連接件，對保證鐵路的整體穩定性起著重要作用。彈條是鐵路扣件系統中關鍵零部件之一，在使用過程中通過自身的彎曲和扭轉變形，保證鋼軌和軌下基礎結構的可靠連接［2-3］。目前，我國高速鐵路用W1型、W2型和C4型彈條主要采用60Si2Mn熱軋彈簧鋼進行生產［4］。而熱軋彈簧鋼在軋制過程中表面會形成氧化鐵皮，這給后續彈條生產帶來一定的困擾。傳統去氧化鐵皮的方法主要有酸洗和拋丸，但酸洗不僅對環境、設備和人員有著不利影響，還有可能給鋼材帶來氫脆風險［5-6］。與之對照拋丸方法優勢明顯。

我國于20 世紀50 年代開始引入拋丸工藝，隨著技術的不斷發展，拋丸工藝廣泛應用于機械加工、汽車生產、鋼結構涂裝等多個領域［7-8］。拋丸工藝是一種表面處理工藝，原理是利用高速旋轉的拋丸器將彈丸以一定的速度和角度拋射到鋼材表面，彈丸通過沖擊鋼材實現鋼材表面氧化鐵皮的清理。清理效果通常用表面粗糙度和清潔度來衡量［9］。相關研究表明，影響清理效果的主要因素有拋丸設備、彈丸類型和拋丸時間［10-11］。本文采用不同拋丸工藝對彈條原材料進行清理，并分析清理后原材料表面形貌、粗糙度、清潔度以及所生產彈條的疲勞性能，以期為后續原材料拋丸工藝的選取提供參考。

1 試驗

1.1 原材料和彈條生產流程

原材料為直徑14 mm，長度7 m的60Si2Mn熱軋彈簧鋼。將采用不同拋丸工藝清理后的原材料按相同流程生產為W1 型彈條，流程為定尺→中頻加熱→沖壓成型→淬火→回火。彈條尺寸和外觀滿足TB/ T 3395.4—2015《高速鐵路扣件 第4 部分：WJ?7 型扣件》要求。

1.2 設備和彈丸

拋丸設備主要由進料輸送機構、拋丸清理室、導向反射防護裝置、拋丸器和彈丸循環凈化系統組成。拋丸流程為：單根原材料通過進料輸送機構自動輸送至拋丸清理室；傳感器感應到原材料進入拋丸清理室后，拋丸器自動啟動，按照設定拋丸工藝對原材料表面進行清理；拋丸結束后進入吹掃區進行吹掃；最后自動輸送至出料口。

拋丸設備輸送速度10 ～ 40 m/min，拋丸電流25 ～55 A，拋丸覆蓋率 ≥ 100%，彈丸粒徑0.5 ～ 0.8 mm。

拋丸常用的彈丸有鋼絲切丸、高碳鑄鋼丸、高碳鑄鋼砂、低碳鑄鋼丸、不銹鋼丸、鋁丸、鋅丸、鑄鐵丸和鑄鋼砂?？紤]彈丸應具備較好的耐磨性和較低的破碎率，選取高碳鑄鋼丸（簡稱鑄鋼丸）和鋼絲切丸作為試驗彈丸，見圖1。結合試驗設備及原材料，兩種彈丸的粒徑均在0.6 ～ 0.7 mm，硬度430 ～ 520 HV。

圖1 彈丸形貌

1.3 工況設置和測試方法

在確定拋丸設備、彈丸的情況下，輸送速度和拋丸電流是影響清理效果的主要因素。輸送速度取40 m/min，拋丸電流分別取30、40、50 A。由兩種彈丸和三種拋丸工藝組合成6種工況，見表1。

表1 工況設置

拋丸后對原材料表面形貌、粗糙度、清潔度進行觀察和檢測。彈條按TB/ T 3395.4—2015 進行抗疲勞性能試驗。

2 試驗結果分析

2.1 原材料表面形貌

將拋丸后的原材料放大40 倍，表面形貌見圖2?？梢姡翰捎描T鋼丸清理的三種工況（工況1—工況3）原材料微觀形貌一致，采用鋼絲切丸清理的三種工況（工況4—工況6）原材料微觀形貌一致。

用鑄鋼丸清理的原材料表面用手觸摸較平滑，凹坑較少且邊緣較圓滑；采用鋼絲切丸清理的原材料表面用手觸摸有明顯的毛刺感，凹坑較多，且部分凹坑邊緣、底部有較尖銳的棱角。

2.2 表面粗糙度

每種工況拋丸清理后，在原材料表面選3個測點，測量粗糙度，結果見表2。結合表1 可知：隨拋丸電流增大，各測點粗糙度均逐漸增加，且采用鑄鋼丸清理的原材料表面粗糙度明顯小于采用鋼絲切丸清理的，說明采用鑄鋼丸清理的原材料表面更光滑。

表2 粗糙度測量結果

2.3 表面清潔度

拋丸清理后原材料表面清潔度采用清理等級來表征。參照GB/ T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1 部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》，對拋丸清理后原材料表面清理等級進行評定。清理等級劃分為：輕度的噴射清理Sa1；徹底的噴射清理Sa2；非常徹底的噴射清理Sa21/2；使鋼材表面潔凈的噴射清理Sa3。

首先采用不同工況拋丸參數對原材料表面進行清理，然后采用每種工況拋丸清理后的原材料生產1000個彈條，收集生產過程中掉落于沖壓模具上的氧化鐵皮并稱重，結果見表3。

表3 不同工況下原材料表面拋丸清理情況

由表1 和表3 可知：①彈丸相同時，隨拋丸電流增加，總體上拋丸后原材料表面清理等級提高，后續生產彈條過程中掉落的氧化鐵皮減少；②采用鑄鋼丸清理的原材料表面清理等級整體上高于采用鋼絲切丸清理的原材料；③兩種彈丸清理后，表面清理等級較高的工況分別是工況3和工況6。

2.4 彈條抗疲勞性能

隨機選取工況3 和工況6 彈條各6 個，按TB/T 3395.4—2015進行500萬次疲勞荷載試驗。試驗組裝位移14 mm，動態位移-2.0 ～ +0.5 mm。試驗結果見表4。

表4 疲勞荷載試驗結果

對斷裂彈條的硬度、總脫碳層深度、金相組織進行測試和觀察。斷裂彈條硬度在45 ～ 46 HRC，滿足TB/ T 3395.4—2015中要求（42 ～ 47 HRC）。斷裂彈條總脫碳層深度在0.05 ～ 0.08 mm，滿足TB/ T 3395.4—2015 中不大于0.13 mm 的要求。斷裂彈條金相組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，未見其他異常金相組織，滿足TB/ T 3395.4—2015中要求。

對斷裂彈條裂紋源進行電鏡掃描發現，兩個斷裂彈條裂紋源處均可見凹坑缺陷，見圖3。

圖3 斷裂彈條裂紋源處凹坑缺陷

由表4和圖3可知：采用工況3拋丸參數清理的原材料生產的6 個彈條在500 萬次疲勞荷載作用下均未斷裂，而采用工況6 拋丸參數清理的原材料生產的6 個彈條中有2 個經受的疲勞荷載還不到100 萬次就斷裂了。工況3 和工況6 拋丸電流都是50 A，兩工況唯一不同的就是彈丸。工況6 的2 個彈條在較低次數疲勞荷載作用下斷裂的原因可能是：采用鋼絲切丸拋丸清理的原材料，表面粗糙度較大，表面形成的部分凹坑有較尖銳的棱角；采用這種原材料生產彈條，凹坑會在疲勞荷載過程中形成應力集中點，造成裂紋的萌生、擴展，最后導致彈條的斷裂。

3 結論

1）采用鑄鋼丸清理的原材料表面形貌和粗糙度優于采用鋼絲切丸清理的。彈丸、輸送速度相同時，隨著拋丸電流增加，拋丸后原材料表面粗糙度逐漸增加。

2）不同拋丸工藝均可以清理掉原材料表面氧化鐵皮。彈丸相同時，隨拋丸電流增加，總體上拋丸后原材料表面清理等級提高，后續生產彈條過程中掉落的氧化鐵皮減少。鑄鋼丸的清理效果整體上優于鋼絲切丸。

3）原材料拋丸前須要注意彈丸的選擇。在考慮損耗的基礎上，還應盡量選取表面圓潤、形狀規則的彈丸，以免在原材料表面形成帶尖銳棱角的凹坑等缺陷，影響到彈條的疲勞壽命。