噴丸強(qiáng)化對(duì)25MoCr5鋼滲碳齒輪組織及性能的影響

2013-09-04 郭銳上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

1、引言

　　噴丸強(qiáng)度通常采用弧高值法，即根據(jù)試片弧高值與同等條件下金屬表面內(nèi)應(yīng)力間有對(duì)應(yīng)關(guān)系這一原理來(lái)測(cè)定的。這個(gè)方法的不足之處是不能精確測(cè)量距表面50μm以內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力值。而對(duì)材料的疲勞壽命起決定性作用的恰恰是此表面層內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力值。我們采用RICH SEIFERT&Co公司的7軸衍射(7-Axes-Diffractometer)X射線應(yīng)力分析儀，就噴丸參數(shù)對(duì)殘余內(nèi)應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，分析了噴丸對(duì)滲碳層硬度和顯微組織的影響，初步探討了噴丸后經(jīng)低溫回火使應(yīng)力松弛所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力場(chǎng)。

2、試驗(yàn)材料和方法

　　2.1、試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)采用上海汽車齒輪總廠生產(chǎn)的桑塔納轎車變速箱一檔從動(dòng)齒，材料為25MoCr5鋼，化學(xué)成分見表1。

　　2.2、熱處理工藝及噴丸工藝

　　齒輪在上海汽車齒輪總廠的Aichelin多用爐中滲碳處理，碳勢(shì)1%，溫度900℃，淬火油溫70℃(G油)，回火170℃，在葉輪式拋丸機(jī)(wheel labrator)上進(jìn)行噴丸處理。

　　2.3、組織形貌、硬度及應(yīng)力測(cè)定

　　在RICH SERFERT&Co公司的X射線應(yīng)力分析儀上測(cè)定殘余應(yīng)力沿層深分布，顯微硬度在AKASI MVK-E上測(cè)量，載荷砝碼50g。每一深度測(cè)3次，取平均值。用日立S-500型掃描電鏡和蔡氏NEOPHOT-21型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。殘留奧氏體量在理學(xué)電機(jī)(Rigaku)株式會(huì)社的轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上測(cè)定。

3、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1、噴丸參數(shù)對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響

　　改變噴丸時(shí)間，并保持噴丸速度為2900r/min，丸粒硬度為57HRC，所得應(yīng)力值如圖1所示。改變噴丸速度，并保持噴丸時(shí)間15s，丸粒硬度為57HRC，所得應(yīng)力值如圖2所示。

圖1 殘余應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖2 殘余應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

　　由圖1看出，隨著噴丸時(shí)間的增加，距試樣表層5μm、25μm、50μm處的殘余壓應(yīng)力都逐漸增加，在10s以后，25μm深處的殘余應(yīng)力的遞增速度超過(guò)5μm處。正是因?yàn)�，隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余應(yīng)力由表層向材料內(nèi)部逐漸滲透，但表層的組織在噴丸的作用下遭到了一定的損壞，粗糙度增加，可能產(chǎn)生微小裂紋使殘余應(yīng)力值有所降低。由圖2看出，隨著鋼丸轉(zhuǎn)速增加，殘余應(yīng)力值也隨之增加。但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min，距表層5μm處的殘余應(yīng)力值有所下降。這是因?yàn)�，鋼丸轉(zhuǎn)速增加，噴丸作用增大，殘余應(yīng)力值上升明顯，但超過(guò)一定噴丸強(qiáng)度后，表層組織遭到破壞，產(chǎn)生微小裂紋，使殘余應(yīng)力值下降。由圖1、2可看出，在噴丸過(guò)程中，過(guò)度噴丸對(duì)表層有損害作用，因此選擇噴丸參數(shù)時(shí)，既要考慮到殘余應(yīng)力要達(dá)到一定的數(shù)值，又要防止過(guò)度噴丸。

　　3.2、噴丸對(duì)滲碳層硬度的影響

　　對(duì)噴丸前后的顯微硬度的分布進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見圖3。

　　由圖3曲線可以看出，噴丸件表層顯微硬度明顯提高，心部組織硬度基本相同。硬度發(fā)生變化區(qū)域均為距表面0.1mm范圍以內(nèi)，最大變化區(qū)域在距表面0.1mm附近，表層的硬度顯著提高是受到高的殘余壓應(yīng)力、加工硬化和組織變化綜合作用的結(jié)果，其中殘留奧氏體的顯著減少對(duì)硬度提高也作出了貢獻(xiàn)。

　　3.3、噴丸對(duì)滲碳表層內(nèi)顯微組織的影響

　　用掃描電子顯微鏡對(duì)未噴丸和噴丸(轉(zhuǎn)速為2900r/min)的樣品進(jìn)行分析觀察，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 噴丸對(duì)滲層組織的影響

(a)未噴丸(b)經(jīng)噴丸

　　試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，未噴丸的馬氏體片間保留有較多的殘留奧氏體組織如圖4a;噴丸后如圖4b，馬氏體的微觀亞結(jié)構(gòu)被細(xì)化，殘留奧氏體誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，該馬氏體針?lè)浅＜?xì)小。噴丸細(xì)化了金屬表面的微觀亞結(jié)構(gòu)，使金屬表面位錯(cuò)密度增加，亞晶細(xì)化，晶格畸變加劇。用光學(xué)顯微攝影儀對(duì)未噴丸和噴丸的樣品進(jìn)行分析觀察，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 滲層光學(xué)顯微組織 x400

(a)未噴丸(b)噴丸

　　試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，未噴丸試樣的殘留奧氏體(白色)較噴丸后的殘留奧氏體含量多。因?yàn)閲娡枋乖嚇又械臍埩魥W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，用來(lái)提高表面硬度。就表層組織來(lái)看，噴丸后的馬氏體針明顯較未噴丸試樣細(xì)小致密，這也進(jìn)一步說(shuō)明噴丸起到了細(xì)化馬氏體亞結(jié)構(gòu)的作用。

　　用X射線衍射儀對(duì)未噴丸和經(jīng)噴丸(轉(zhuǎn)速為2900r/min)的樣品進(jìn)行分析觀察，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖6中可以看出，噴丸前殘留奧氏體的衍射峰在衍射后基本上消失了，說(shuō)明噴丸能有效地使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，有利于殘余壓應(yīng)力的提高，從而提高齒輪的壽命。

圖6 試樣的X射線衍射圖

(a)未噴丸樣品(b)噴丸樣品

4、殘余應(yīng)力場(chǎng)的松弛

　　為了研究噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)兩組上海汽車齒輪總廠生產(chǎn)的桑塔納轎車變速箱一檔從動(dòng)齒試樣分別進(jìn)行了兩種處理：一種處理為噴丸強(qiáng)化(3000r/min，15s，57HRC);另一種處理為噴丸強(qiáng)化X應(yīng)力松弛低溫回火。

　　在RICH SERFERT&Co公司生產(chǎn)的7-Axes-Diffractometer X射線應(yīng)力分析儀上測(cè)定距表面25μm處的殘余應(yīng)力。

　　噴丸引入的表層殘余壓應(yīng)力場(chǎng)在其后的疲勞加載過(guò)程中會(huì)發(fā)生松弛，如圖7所示。在疲勞加載初期，噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生急劇的松弛，而在疲勞加載后期，殘余應(yīng)力場(chǎng)的松弛很緩慢，松弛量也很小，并逐漸趨于穩(wěn)定態(tài)。

圖7 殘余應(yīng)力場(chǎng)的松弛

　　殘余應(yīng)力的迅速松弛是工件服役加載后表層材料劇烈塑性變形的結(jié)果。在疲勞加載初期，試樣表層的位錯(cuò)密度迅速降低，一方面是由于在外載作用下一部分異號(hào)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中相互抵消;另一方面是由于晶體的大量滑移使位錯(cuò)首先在晶界等障礙物前塞積。當(dāng)該處的應(yīng)力達(dá)到斷裂應(yīng)力時(shí)，隨即在塞積處形成一定數(shù)量的微裂紋，應(yīng)力場(chǎng)被松弛，使工件表層造成損傷。而在隨后的疲勞循環(huán)中，疲勞裂紋在上述各損傷處優(yōu)先形核，這就必然會(huì)降低疲勞裂紋的萌生壽命。一旦其中某一裂紋擴(kuò)展至一定長(zhǎng)度并形成主裂紋時(shí)，其他微裂紋會(huì)因應(yīng)力松弛而停止擴(kuò)展。因此，殘余應(yīng)力的靜載松弛是一種損傷性松弛[1]。如果能使噴丸強(qiáng)化效果下的靜態(tài)殘余應(yīng)力場(chǎng)在疲勞加載前就預(yù)先非損傷性松弛到穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，則可避免殘余應(yīng)力場(chǎng)在疲勞加載初期的靜載松弛，最大限度地提高工件的疲勞壽命。因此，在噴丸后又進(jìn)行了一組應(yīng)力松弛低溫回火試驗(yàn)，來(lái)獲得穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。

　　回火溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖8所示。試樣在不同溫度下回火，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生不同程度的松弛�；鼗饻囟仍礁撸沙诹吭酱�。一定溫度以后，松弛量趨于平衡，具有良好的穩(wěn)定性。