0?前 言

對(duì)鋼材實(shí)施拋?(噴?)丸處理?,能最大限度地去除其表面的銹跡 。過去?,多重視拋?(噴?)丸設(shè)備及清理效果?,?忽視了對(duì)鋼丸自身磨損過程的研究?,因而其清理效果 往往不盡人意。清理效果除了直接與鋼丸自身的質(zhì) 量,如成分、硬度、粒度和密度等有關(guān)外,還與其歐 文壽命和磨損過程有關(guān) 。為此?,本工作用歐文壽命試 驗(yàn)機(jī)模擬拋?(噴?)丸清理設(shè)備?,用?100%替代法測(cè)定高 碳鑄鋼丸的歐文壽命?,并觀察其磨損失效形式?,分析 討論磨損失效的過程?,為提高鋼丸的品質(zhì)做了前期基 礎(chǔ)工作 。

1?試 驗(yàn)

1. 1?試樣的選用

選用離心霧化成型的鑄態(tài)高碳鑄鋼丸?(簡稱鋼 丸),化學(xué)成分?(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):0. 930%C,0. 640%Si, 0. 650%Mn,0. 019%S,0. 044%P,余量為?Fe。鋼丸經(jīng)?840?°C二次淬火?, 550?°C回火后?,取無異形、裂紋、氣孔和收縮缺陷的顆粒作為試樣,其主要性能參數(shù)見表表?1?。

1.2 測(cè)試方法

選取?20 g鋼丸試樣?,用歐文壽命試驗(yàn)機(jī)模擬鋼丸 清理過程?,拋射速度為?61 m / s, 100%替代法測(cè)試其歐 文壽命為?2 995次。假設(shè)?3 000次時(shí)鋼丸已完全消耗?,?則循環(huán)次數(shù)最大為?2 500?次?,從?500?次開始?,每隔?500?次為?1個(gè)周期?,得到?5組磨損樣品。用?40目篩篩分每 周期磨損后的鋼丸?,去除細(xì)小粉末?,用?JSM?26700F型掃 描電子顯微鏡?(?SEM?)觀察形貌?,分析磨損失效形式?,在10倍放大鏡下觀察各磨損失效形式的比例?(質(zhì)量比?)?,?用?HP SJ8250型掃描儀記錄鋼丸粒度和形貌的變化。

2?結(jié)果與分析

2. 1磨損失效形貌

對(duì)?5組磨損樣品用掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn):在不同 循環(huán)次數(shù)下?,鋼丸樣品的磨損失效形式可歸納為表層 剝落和心部脫落?2大類?,屬于沖擊磨損?,具有不同的磨 損形貌和產(chǎn)生機(jī)理?,導(dǎo)致不同的磨損速度 。

2. 1. 1?表層剝落

鋼丸磨損樣品呈多面球形?,其磨損失效形式為表層剝落?(見圖?1a)。鋼丸在歐文壽命機(jī)內(nèi)循環(huán)被高速拋到硬靶(硬度?>63HRC)上,其動(dòng)能除轉(zhuǎn)化為熱量外,?大部分被鋼丸自身及碰撞的靶表面層所吸收?,引起鋼 丸球面的局部塑性變形并形成?1個(gè)“小平面 ”結(jié)構(gòu)?,此 處為壓應(yīng)力,每次拋打都會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)?1個(gè)不同的小平 面?,使鋼丸呈多面球形。表層位錯(cuò)滑移形變發(fā)生加 工硬化?,引起鋼丸表面硬度和強(qiáng)度提高,塑性和沖擊 韌性降低 。兩側(cè)小平面所受壓應(yīng)力方向和大小不同?,?小平面交界處呈現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度或 剪切強(qiáng)度時(shí)?,表層出現(xiàn)橫向裂紋?,局部表層撕裂而翹起(見圖?1b)。多次拋打沖擊后,裂紋繼續(xù)橫向擴(kuò)展并相 互貫通?,發(fā)生表層剝落?(見圖?1c)。從圖?1d可以看 出?,斷裂韌窩比較平整?,說明裂紋橫向擴(kuò)展并導(dǎo)致受力 表面與基體發(fā)生撕裂?,表層的剝落是低周次疲勞韌性 斷裂。

2. 1. 2?心部脫落

鋼丸磨損樣品中有的心部缺損或呈半狀的碎粒?,其磨損失效形式為心部脫落?(見圖?2a)。鋼丸雖經(jīng)回火 熱處理?,硬度降低?,沖擊韌性提高?,但仍然會(huì)因造粒霧 化成丸急冷凝固時(shí)心部發(fā)生碳析反應(yīng)?,在高溫下析出?C O ,?形 成 嚴(yán) 重 氣 孔 、疏 松 、夾 雜 物 等 缺 陷?,?使 組 織 致 密 性 降低??。當(dāng)鋼丸受力時(shí)?,韌性比較好的表層部分發(fā)生 剝落?,受到表層形變的影響?,心部會(huì)產(chǎn)生裂紋?,且極易 沿心部缺陷縱向擴(kuò)展?,使心部逐漸松動(dòng)?,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至 表層?,且表層所受交變負(fù)荷超過材料疲勞極限時(shí)?,表層 將發(fā)生破裂而引起鋼丸破碎?(見圖?2b)。圖?2c為圖?2b?中表層端口處的等軸韌窩形貌?,可見表層為裂紋縱向 擴(kuò)展引起的韌性斷裂 。松動(dòng)的心部會(huì)沿破碎處呈塊狀 脫落?,形成?1個(gè)空心鋼丸?(見圖?2d)?,脫落后碎粒的外表 面會(huì)再次發(fā)生表層剝落 。

2. 2?磨損前后粒度及形貌變化

鋼丸以一定動(dòng)能拋?(噴?)到歐文壽命機(jī)的硬靶上?,最 明顯的變化是平均粒度的減小。圖?3是掃描儀記錄的 磨損過程中鋼丸粒度及形貌的變化圖 。從圖中可以看 出?,磨損前鋼丸呈均勻的球形?,平均粒度為?1. 7 mm;經(jīng)過500次循環(huán)后?,約有?40%顆粒破碎并產(chǎn)生塊狀顆粒及更 小的碎粒粉?,發(fā)生心部脫落?,但大部分顆粒呈多面球形?,?發(fā)生表層剝落?,平均粒度降低幅度不大?;循環(huán)次數(shù)增加到1 000次時(shí)?,只有約?20%的顆粒呈多面球形?,粒度大于?1. 0mm ,大部分顆粒粒度小于?0. 5 mm ,降幅明顯?,顯然是表 層剝落的顆粒破碎?,引起了心部脫落?;當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到?2 500次時(shí)只有約?1%的顆粒呈球形?,其粒度在?0. 5 mm以下?,說明心部脫落引起了粒度的大幅度降低 。

2. 3?磨損失效形式比例及損耗量比例?

設(shè)鋼丸磨損前的原始質(zhì)量為?m?t?,磨損各階段的損耗量為?mm l?,表層剝落顆粒質(zhì)量為?m?s?,心部脫落顆粒質(zhì) 量為?mc?,用?ms?/mt?和?mc?/mt?分別表征相同循環(huán)次數(shù)下?2種磨損失效形式的比例。圖?4為?2種磨損失效形式 比例和損耗量比例與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。可見?, 2種磨損 形式的比例均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)?,但其峰值出 現(xiàn)的位置不一樣?,?m?s?/m?t?在?500次循環(huán)時(shí)達(dá)到峰值?,而?mc?/mt在1000次才達(dá)到峰值,即在較低循環(huán)次數(shù)時(shí)以 表層剝落為主?,隨循環(huán)次數(shù)增加?,心部脫落比例增加?,?占主導(dǎo)地位。500次之內(nèi)?,ms?/mt?和?mc?/mt?均呈上升趨 勢(shì)?,是由于新鋼丸在低周次循環(huán)時(shí)不斷發(fā)生表層剝落?,?其中只有小部分發(fā)生表層剝落的鋼丸所受應(yīng)力超過低 周疲勞極限而發(fā)生心部脫落;在?500~1 000次內(nèi)循環(huán) 時(shí)?,ms?/mt?驟然下降?,mc?/mt?上升且占主導(dǎo)地位?,說明大 部分表層剝落的顆粒已經(jīng)發(fā)展為心部脫落?,發(fā)生心部 脫落的顆粒數(shù)量相對(duì)增加?; 1 000?~2 500次循環(huán)時(shí)?,?ms?/mt和?mc?/mt?均下降?,但?mc?/mt?占主導(dǎo)?,說明此階段 不但表層剝落的顆粒不斷發(fā)生心部脫落?,而且心部脫 落的顆粒也明顯地破碎損耗?,但?m?c?/m?t?下降的幅度要 明顯大于?m?s?/m?t?,說明心部脫落引起了較高的破碎率 。

損耗量包括歐文壽命機(jī)內(nèi)被除塵袋除去的小于 0. 300 mm 的碎屑和磨損后通過 0. 425 mm 篩孔篩下的 碎粒 。圖 4中的損耗量比例曲線顯示了損耗量與循環(huán) 次數(shù)的關(guān)系 ,呈逐漸上升的類拋物線狀 ,損耗量隨循環(huán) 次數(shù)的增加而不斷增加 , 500次和 1 000次時(shí)損耗量占 原始總量的 10. 5%和 18. 1%,而 1 500次時(shí)達(dá)到 43. 1%,2 000次和 2 500次后分別達(dá)到 61. 1%和 84. 2%;曲線的斜率代表了磨損速率 ,可見 1 000次以 前磨損較慢 , 1 500次以后磨損速度加快 ,這也說明在 較低周次 m s /m t 占主導(dǎo)地位時(shí) ,引起的損耗量較小 ,而

在較高周次mc /mt占主導(dǎo)地位時(shí),引起的損耗量大。 由上可知 ,鋼丸的磨損失效屬于沖擊磨損 ,循環(huán)初 期表現(xiàn)為表層剝落 ,隨著循環(huán)次數(shù)的增加 ,鋼丸所受應(yīng) 力累加 ,超過其低周疲勞極限時(shí) ,發(fā)生破碎 ,產(chǎn)生心部 脫落 ,從而引起了粒度明顯降低和損耗量明顯增加 ,直至大部分表層剝落轉(zhuǎn)變?yōu)樾牟棵撀?。高品質(zhì)的鋼丸磨 損失效形式應(yīng)以表層剝落為主 。

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)二次淬火?+回火處理的高碳鑄鋼丸,其拋?(噴?)丸產(chǎn)生沖擊磨損?,磨損失效形式包括表層剝落和心部脫落 。

(2)用?100%替代法測(cè)得鋼丸樣品的歐文壽命為2 995次?;隨循環(huán)次數(shù)的增加?,平均粒度逐漸降低?,損耗 量明顯增加?, 0~500次循環(huán)磨損較慢?, 1 000~1 500次 循環(huán)磨損速度較快 。

(3)鋼丸的磨損失效過程為低周次時(shí)破碎率較低 , 出現(xiàn)表層剝落 ,隨著循環(huán)次數(shù)增加 ,所受應(yīng)力累加 ,當(dāng) 其超過低周疲勞極限時(shí) ,表面剝落的顆粒逐漸發(fā)展為 破碎率較高的心部脫落顆粒 ,直至鋼丸失效 。