噴丸強化對25MoCr5鋼滲碳齒輪組織及性能的影響

2013-09-04 郭銳上海大學材料科學與工程學院

1、引言

　　噴丸強度通常采用弧高值法，即根據試片弧高值與同等條件下金屬表面內應力間有對應關系這一原理來測定的。這個方法的不足之處是不能精確測量距表面50μm以內的內應力值。而對材料的疲勞壽命起決定性作用的恰恰是此表面層內的內應力值。我們采用RICH SEIFERT&Co公司的7軸衍射(7-Axes-Diffractometer)X射線應力分析儀，就噴丸參數對殘余內應力的影響進行了研究，分析了噴丸對滲碳層硬度和顯微組織的影響，初步探討了噴丸后經低溫回火使應力松弛所對應的殘余應力場。

2、試驗材料和方法

　　2.1、試驗材料

　　試驗采用上海汽車齒輪總廠生產的桑塔納轎車變速箱一檔從動齒，材料為25MoCr5鋼，化學成分見表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1%，溫度900℃，淬火油溫70℃(G油)，回火170℃，在葉輪式拋丸機(wheel labrator)上進行噴丸處理。

　　2.3、組織形貌、硬度及應力測定

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

3、試驗結果及分析

　　3.1、噴丸參數對殘余壓應力的影響

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

圖1 殘余應力隨時間的變化規律

圖2 殘余應力隨轉速的變化規律

　　由圖1看出，隨著噴丸時間的增加，距試樣表層5μm、25μm、50μm處的殘余壓應力都逐漸增加，在10s以后，25μm深處的殘余應力的遞增速度超過5μm處。正是因為，隨著噴丸時間的延長，殘余應力由表層向材料內部逐漸滲透，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，可能產生微小裂紋使殘余應力值有所降低。由圖2看出，隨著鋼丸轉速增加，殘余應力值也隨之增加。但當轉速超過3000r/min，距表層5μm處的殘余應力值有所下降。這是因為，鋼丸轉速增加，噴丸作用增大，殘余應力值上升明顯，但超過一定噴丸強度后，表層組織遭到破壞，產生微小裂紋，使殘余應力值下降。由圖1、2可看出，在噴丸過程中，過度噴丸對表層有損害作用，因此選擇噴丸參數時，既要考慮到殘余應力要達到一定的數值，又要防止過度噴丸。

　　3.2、噴丸對滲碳層硬度的影響

　　對噴丸前后的顯微硬度的分布進行測試，其結果見圖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。硬度發生變化區域均為距表面0.1mm范圍以內，最大變化區域在距表面0.1mm附近，表層的硬度顯著提高是受到高的殘余壓應力、加工硬化和組織變化綜合作用的結果，其中殘留奧氏體的顯著減少對硬度提高也作出了貢獻。

　　3.3、噴丸對滲碳表層內顯微組織的影響

　　用掃描電子顯微鏡對未噴丸和噴丸(轉速為2900r/min)的樣品進行分析觀察，試驗結果見圖4。

圖4 噴丸對滲層組織的影響

(a)未噴丸(b)經噴丸

　　試驗觀察發現，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，馬氏體的微觀亞結構被細化，殘留奧氏體誘發轉變為馬氏體，該馬氏體針非常細小。噴丸細化了金屬表面的微觀亞結構，使金屬表面位錯密度增加，亞晶細化，晶格畸變加劇。用光學顯微攝影儀對未噴丸和噴丸的樣品進行分析觀察，試驗結果見圖5。

圖5 滲層光學顯微組織 x400

(a)未噴丸(b)噴丸

　　試驗觀察發現，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。因為噴丸使試樣中的殘留奧氏體轉變為馬氏體，用來提高表面硬度。就表層組織來看，噴丸后的馬氏體針明顯較未噴丸試樣細小致密，這也進一步說明噴丸起到了細化馬氏體亞結構的作用。

　　用X射線衍射儀對未噴丸和經噴丸(轉速為2900r/min)的樣品進行分析觀察，試驗結果見圖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，說明噴丸能有效地使殘留奧氏體轉變為馬氏體，有利于殘余壓應力的提高，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、殘余應力場的松弛

　　為了研究噴丸殘余應力場的穩定性問題，對兩組上海汽車齒輪總廠生產的桑塔納轎車變速箱一檔從動齒試樣分別進行了兩種處理：一種處理為噴丸強化(3000r/min，15s，57HRC);另一種處理為噴丸強化X應力松弛低溫回火。

　　在RICH SERFERT&Co公司生產的7-Axes-Diffractometer X射線應力分析儀上測定距表面25μm處的殘余應力。

　　噴丸引入的表層殘余壓應力場在其后的疲勞加載過程中會發生松弛，如圖7所示。在疲勞加載初期，噴丸殘余應力場會發生急劇的松弛，而在疲勞加載后期，殘余應力場的松弛很緩慢，松弛量也很小，并逐漸趨于穩定態。

圖7 殘余應力場的松弛

　　殘余應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果。在疲勞加載初期，試樣表層的位錯密度迅速降低，一方面是由于在外載作用下一部分異號位錯在運動中相互抵消;另一方面是由于晶體的大量滑移使位錯首先在晶界等障礙物前塞積。當該處的應力達到斷裂應力時，隨即在塞積處形成一定數量的微裂紋，應力場被松弛，使工件表層造成損傷。而在隨后的疲勞循環中，疲勞裂紋在上述各損傷處優先形核，這就必然會降低疲勞裂紋的萌生壽命。一旦其中某一裂紋擴展至一定長度并形成主裂紋時，其他微裂紋會因應力松弛而停止擴展。因此，殘余應力的靜載松弛是一種損傷性松弛[1]。如果能使噴丸強化效果下的靜態殘余應力場在疲勞加載前就預先非損傷性松弛到穩態應力場，則可避免殘余應力場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，在噴丸后又進行了一組應力松弛低溫回火試驗，來獲得穩定的應力場。

　　回火溫度對殘余應力的影響如圖8所示。試樣在不同溫度下回火，應力場發生不同程度的松弛。回火溫度越高，松弛量越大。一定溫度以后，松弛量趨于平衡，具有良好的穩定性。