拋丸工藝對60Si2Mn熱軋彈簧鋼表面殘余應力的影響

張遠慶

鐵科（天津）科技有限公司， 天津 301700

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，彈丸通過撞擊將鋼材表面氧化鐵皮和雜質清理掉。隨著拋丸工藝的不斷完善，應用范圍也擴大到機械加工、汽車生產、兵器制造、礦山冶金、船舶、航空航天等領域［1-2］。拋丸在完成鋼材表面清理的同時，還會在鋼材表面產生殘余應力。這是由于彈丸撞擊鋼材表面，鋼材表面出現塑性變形凹坑，撞擊完成后塑性變形層下面的彈性區要恢復到原始尺寸，但此時塑性變形層會阻礙彈性區的恢復，兩者相互作用導致殘余應力產生［3］。

依據GB/ T 39520—2020《彈簧殘余應力的X射線衍射測試方法》，殘余應力所對應的應變是區域內各個晶粒晶格應變的統計結果。通過X射線衍射法測定的晶格應變可計算出對應的殘余應力。X射線衍射原理為：當一束具有一定波長（λ）的X射線照射到材料上時，探測器會在衍射角（2θ）上接收到反射的X射線并形成衍射峰，如圖1所示。X射線的λ、衍射晶面間距（d）和2θ之間滿足布拉格定律［4］。

圖1 X射線衍射原理

殘余應力可通過殘余應力場特征參數和半高寬來描述［5］。其中殘余應力場特征參數有最大殘余應力（σmax）、最大殘余應力對應的深度（hmax）和殘余應力影響深度（h0）［6-9］。半高寬是衍射峰在其最大強度的1/2處所占據的寬度，以度（°）為單位。σmax、hmax、h0和半高寬隨拋丸強度增加而增加［10-12］。

60Si2Mn熱軋彈簧鋼（簡稱彈簧鋼）具有良好的強度、韌性和塑性，常應用于高速鐵路扣件用彈條的生產［13］。本文采用不同拋丸工藝對彈簧鋼進行拋丸處理，通過X射線應力測定儀測量不同拋丸工藝下彈簧鋼表面的殘余應力。對比不同拋丸工藝下殘余應力場特征參數和半高寬，分析不同拋丸工藝對彈簧鋼表面的拋丸效果，為拋丸工藝選取提供參考。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗設備

拋丸設備工作參數：拋丸時間6 ～ 16 s，拋丸覆蓋率100%，拋丸工作電流30 ～ 50 A，拋丸用彈丸為粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸。

X射線應力測定儀型號為XL-640。測試電壓20 kV，電流6 mA，曝光時間3 s。探測器采用線陣探測器，入射準直管直徑1 mm。應力測定儀使用前采用無應力鐵粉進行校驗。

電解拋光儀工作電壓15 ～ 20 V，工作電流8 ～ 10 A，電解液為氯化鈉飽和溶液。采用基恩士激光測距儀測量電解拋光去層深度。

1.2 試驗方法

根據上述拋丸設備及參數，選取不同拋丸時間和拋丸電流組合成5種工況，見表1。

表1 工況設置

2 試驗結果與討論

2.1 殘余應力場

拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況（工況1—工況3）殘余應力沿層深的分布見圖2（a）；拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）殘余應力沿層深的分布見圖2（b）。其中：層深是指彈簧鋼表面到某一點位的深度；殘余應力為負表示受壓。

圖2 不同工況殘余應力沿層深的分布

工況1—工況5殘余應力場特征參數見表2。

表2 不同工況下殘余應力場特征參數

由圖2（a）和表2可知：①工況1—工況3殘余應力沿層深的變化規律類似。隨層深增加殘余應力先增大，增至σmax時層深也達到最大值（hmax）；層深大于hmax時，隨層深增加殘余應力逐漸減少；殘余應力接近0時對應的層深即為殘余應力影響深度（h0）。②對于σmax，工況1、工況2僅相差10 MPa，與工況1相比，工況3增大16.1%；對于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加38.2%、71.1%；對于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1，與工況1相比，工況2、工況3分別增加19.8%、43.5%。

由圖2（b）和表2可知：①工況3—工況5殘余應力沿層深的變化規律類似，且與工況1—工況3相同。②對于σmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小14.7%、21.3%；對于hmax，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小26.9%、40.0%；對于h0，工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5，與工況3相比，工況4、工況5分別減小24.2%、36.0%。

由表2還可知：經不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應力均為壓應力。對于σmax，工況3 ＞ 工況2 ＞工況1 ＞ 工況4 ＞ 工況5；對于hmax，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況5 ＞ 工況1；對于h0，工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況4 ＞ 工況1 ＞ 工況5。這表明：①拋丸電流相同時，隨拋丸時間減?。ür3→工況1），σmax、hmax、h0均逐漸降低；拋丸時間相同時，隨拋丸電流減?。ür3→工況5），σmax、hmax、h0均逐漸降低。②5種工況中工況3（拋丸電流50 A，拋丸時間16 s）特征參數最大，因此工況3拋丸效果最好。

2.2 半高寬

拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況（工況1—工況3）半高寬沿層深的分布見圖3（a）；拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況（工況3—工況5）半高寬沿層深的分布見圖3（b）。

圖3 不同工況下半高寬沿層深的分布

由圖3可知：①不同工況下半高寬沿層深的分布規律相似，半高寬均隨層深增加而逐漸減小，彈簧鋼表面半高寬最大，且5種工況半高寬均是減小至1.3°時不再減小。②層深相同時，對于拋丸電流相同、拋丸時間不同的三種工況，半高寬由大到小排序為工況3 ＞ 工況2 ＞ 工況1；對于拋丸時間相同、拋丸電流不同的三種工況，半高寬由大到小排序為工況3 ＞ 工況4 ＞ 工況5。③5種工況中工況3半高寬最大，即采用電流50 A，拋丸時間16 s工藝拋丸時拋丸效果最好。

3 結論

1）經不同拋丸工藝處理后，彈簧鋼表面殘余應力均為壓應力。在拋丸電流相同拋丸時間減小、拋丸時間相同拋丸電流減小兩種情況下，殘余應力場特征參數均減小，拋丸效果變差。

2）層深相同時，拋丸電流相同拋丸時間減小、拋丸時間相同拋丸電流減小兩種情況下，半高寬均減小，拋丸效果變差。

3）采用粒徑0.6 ～ 0.7 mm的S230鑄鋼丸拋丸，拋丸覆蓋率100%，拋丸時間為16 s，拋丸電流為50 A時，殘余應力場特征參數和半高寬最大，拋丸效果最好。