專利名稱：一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸工藝，對彈簧試件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。用于彈簧材料或零件表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)是提高彈簧等零件抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕以及延長使用壽命的關(guān)鍵制造工藝，目前廣泛應(yīng)用于彈簧加工業(yè)界。噴丸處理所導(dǎo)致的材料表層變化包括引入殘余壓應(yīng)力場、產(chǎn)生形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)以及表面粗糙度改變，其中噴丸殘余壓應(yīng)力場和噴丸形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)均有助于延長金屬零部件的使用壽命，表面粗糙度增加雖然略微降低材料表面的某些性能，但可以通過優(yōu)化受控噴丸工藝參數(shù)，以避免零件表面粗糙度改變所帶來的一些不利影響。預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸工藝要點(diǎn)是，第一道預(yù)強(qiáng)化噴丸在材料表層產(chǎn)生一定加工硬化效應(yīng)，從而在第二道強(qiáng)化噴丸中不至過分增加表面粗糙度，第三道精整噴丸則進(jìn)一步降低表面粗糙度。結(jié)果表明，經(jīng)過一次強(qiáng)化噴丸、預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸及預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸后殘余壓應(yīng)力、衍射半高寬和顯微硬度沿層深分布深度接近，但預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸尤其是預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸工藝的表面粗糙度更低、表面殘余壓應(yīng)力更大、表面形變組織結(jié)構(gòu)更明顯以及表面顯微硬度更高，會大大提高彈簧鋼的力學(xué)性能和使用壽命。此方法不但便捷而且更有效。本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)噴丸技術(shù)表面處理的彈簧鋼表面粗糙度大的不足，提供一種既能明顯降低表面粗糙度，又能有效增強(qiáng)材料表面力學(xué)性能的新型噴丸技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種有效提高彈簧鋼表面殘余壓應(yīng)力并能降低表面粗糙度的新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，該方法為采用噴丸機(jī)對彈簧進(jìn)行預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強(qiáng)度O. 23Amm，第二道工序噴丸強(qiáng)度O. 45Amm，第三道工序噴丸強(qiáng)度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質(zhì)相同，得到處理后的彈簧產(chǎn)品O所述的處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度為Ral. 89/Rz9. 50 μ m。所述的噴丸機(jī)為氣動噴丸機(jī)，該氣動噴丸機(jī)采用的彈丸介質(zhì)為G3鋼絲切丸，彈丸直徑為O. 6mm,彈丸硬度為55HRC。所述的處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度采用TR220表面粗糙度儀測量，每個(gè)噴丸表面均重復(fù)測量3次，最后取其平均值即得處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度，并繪制出各種工序噴丸表面的輪廓線。所述的處理后的彈簧產(chǎn)品借助X射線應(yīng)力分析儀并結(jié)合電化學(xué)剝層技術(shù)，測定彈
3簧產(chǎn)品噴丸殘余應(yīng)力及其沿材料層深的分布曲線，具體為對彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸層進(jìn)行X射線衍射測量，獲取衍射譜半高寬，在獲取衍射半高寬后，來間接說明晶粒大小的變化規(guī)律，并建立起該種材料半高寬與腐蝕層深之間的關(guān)系。
在測量X射線衍射譜線時(shí)，選擇Cr-Ka輻射，F(xiàn)e(211)衍射晶面，Ni濾波片，測定彈簧產(chǎn)品噴丸殘余應(yīng)力X射線彈性常數(shù)為S2/2 = 5. 92X KT6MPa-1及S1 = -I. 28X KT6MPa'在2Θ范圍內(nèi)確保衍射峰完整。所述的電化學(xué)剝層技術(shù)電壓6V，電流1A，飽和NaCl溶液為電解質(zhì)，剝層每次
O.01mm，共十二次；測量每次剝層后，建立起材料殘余應(yīng)力、衍射半高寬、顯微硬度和腐蝕層深之間的關(guān)系。所述的處理后的彈簧產(chǎn)品借助DHV-1000型顯微硬度計(jì)，配備相關(guān)的壓痕圖象分析軟件，測量各種噴丸層顯微硬度HV5tl及其沿層深的分布關(guān)系，在同一層深隨機(jī)測量3個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，最后取其平均值。對采用本發(fā)明方法處理后的彈簧產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測，包括測試的材料表面粗糙度、殘余應(yīng)力、衍射半高寬、顯微硬度等，具體包括(I)建立不同噴丸技術(shù)與其處理的材料表面粗糙度之間的關(guān)系利用TR220表面粗糙度儀，由計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)計(jì)算，測量各種工藝噴丸表面的粗糙度，主要檢測的粗糙度參數(shù)包括Ra和Rz等，其中取樣長度O. 4mm并且連續(xù)取5段，每個(gè)噴丸表面均重復(fù)測量3次，最后取其平均值。最后繪制出各種工藝噴丸表面的輪廓線，并對不同噴丸技術(shù)處理的材料表面粗糙度進(jìn)行對比。(2)建立殘余應(yīng)力與層深的關(guān)系其工作原理是，利用X衍射應(yīng)力分析測量方法，為了與殘余應(yīng)力測量相配套，選擇Fe(211)衍射晶面，X 射線彈性常數(shù)為 S2/2 = 5. 92X10^6MPa^ 及 S1 = -I. 28X lOlPa—1，在
2Θ范圍內(nèi)確保衍射峰完整。結(jié)合電化學(xué)腐蝕剝層技術(shù)對噴丸試樣表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。利用已測噴丸處理后不同層深為橫坐標(biāo)以及已測對應(yīng)殘余應(yīng)力為縱坐標(biāo)，建立殘余應(yīng)力與層深之間的關(guān)系。并比較不同噴丸技術(shù)對彈簧材料表面殘余應(yīng)力的影響。(3)材料X射線衍射，獲取衍射線形。其工作原理是，X射線照射在晶體材料表面時(shí)，當(dāng)衍射方向與衍射晶面符合布拉格衍射方程時(shí)，相應(yīng)的衍射峰就會出現(xiàn)加強(qiáng)，衍射線形是由晶體材料的微結(jié)構(gòu)決定。根據(jù)彈簧材料的衍射譜線，選擇Fe(211)衍射晶面。具體測試參數(shù)為管電壓30Kv，管電流25mmA，Cr-Ka輻射，用Ni為濾波片，以確保衍射X射線的單色性，從而保證了測量結(jié)果的可靠性。通過衍射峰形直接獲得半高寬，利用衍射峰半高寬，間接表征材料的不同噴丸形變細(xì)化組織。(4)建立不同噴丸技術(shù)處理的材料表面X衍射峰線半高寬與層深的關(guān)系其工作原理是，利用X射線衍射獲取預(yù)測區(qū)域衍射線形，獲得半高寬。衍射半高寬是衍射線形的一個(gè)重要參數(shù)，晶粒越大衍射半高寬越窄，通過晶粒與半高寬的關(guān)系計(jì)算出所測點(diǎn)材料晶粒的大小。并以層深為橫坐標(biāo)以其對應(yīng)X衍射峰線的半高寬為從坐標(biāo)，建立不同層深與其對應(yīng)的X衍射峰線的半高寬之間的關(guān)系，比較不同噴丸技術(shù)處理的彈簧材料表面X衍射峰線半高寬，來間接說明不同噴丸技術(shù)對彈簧材料晶粒大小的影響。(5)建立不同噴丸技術(shù)處理的材料表面硬度與層深的關(guān)系
借助電化學(xué)腐蝕方法，從噴丸表面腐蝕到材料不同深度，借助DHV-1000型顯微硬度計(jì)，配備相關(guān)的壓痕圖象分析軟件，測量各種工藝噴丸層顯微硬度及其沿層深的分布，施加載荷50g，保持載荷時(shí)間15s，在同一層深隨機(jī)測量3個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，最后取其平均值。最后，比較不同噴丸技術(shù)處理的材料表面硬度之間的大小。比較與傳統(tǒng)噴丸技術(shù)得到的材料性能，會發(fā)現(xiàn)新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸技術(shù)會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸工藝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，可明顯提高彈簧材料的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)噴丸技術(shù)相比，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸加工后的彈簧材料表面粗糙度更小、殘余壓應(yīng)力更大，硬度更高，X射線衍射線半高寬更大(即晶粒更細(xì)小)，彈簧材料表面力學(xué)性能更加優(yōu)良。


圖I為一次噴丸(O. 45Amm)表面輪廓線，預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45Amm)表面輪廓線，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)表面輪廓線比較圖；圖2為一次噴丸(O. 45Amm)、預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)殘余應(yīng)力沿層深分布圖；圖3為一次噴丸(O. 45Amm)、預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)衍射半高寬沿層深分布圖；圖4為一次噴丸(O. 45Amm)、預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)顯微硬度沿層深分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。選擇牌號為60Si2Mn，熱處理工藝為870°C油淬火以及450°C回火，調(diào)質(zhì)后的材料硬度為HRC48左右。經(jīng)過線切割成尺寸為30X20X5mm3的彈簧鋼作為試樣。對該試樣分別進(jìn)行一次噴丸處理，預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸處理以及采用本發(fā)明的預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理，并比較處理后的產(chǎn)品性能。對比例I一次噴丸處理利用氣動式噴丸機(jī)，對試樣進(jìn)行噴丸處理一次噴丸工藝，利用氣動噴丸機(jī)，G3鋼絲切丸，彈丸直徑O. 6mm,彈丸硬度55HRC，噴丸強(qiáng)度O. 45Amm,覆蓋率200%以上。對比例2預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸處理預(yù)強(qiáng)化復(fù)合噴丸工藝包括兩道工序，第一道工序噴丸強(qiáng)度O. 23Amm,第二道工序噴丸強(qiáng)度O. 45Amm，兩次噴丸的彈丸介質(zhì)不變，其中第一道噴丸主要目的是對材料近表面進(jìn)行初步強(qiáng)化處理，第二道噴丸才是噴丸強(qiáng)化的主要工序。然而經(jīng)過O. 23Amm預(yù)強(qiáng)化噴丸后，因材料表面發(fā)生了加工硬化現(xiàn)象，在后續(xù)強(qiáng)化噴丸過程中不至于過分增加噴丸表面粗糙度。實(shí)施例I預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理
采用噴丸機(jī)對彈簧進(jìn)行預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強(qiáng)度O. 23A mm，第二道工序噴丸強(qiáng)度O. 45Amm，第三道工序噴丸強(qiáng)度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質(zhì)相同，其中第三道O. 15Amm精整噴丸可進(jìn)一步降低噴丸表面粗糙度，得到處理后的彈簧產(chǎn)品。所述的噴丸機(jī)為氣動噴丸機(jī)，該氣動噴丸機(jī)采用的彈丸介質(zhì)為G3鋼絲切丸，彈丸直徑為O. 6mm,彈丸硬度為55HRC。對上述三種處理后的彈簧試樣進(jìn)行性能測試(I)電化學(xué)腐蝕對試樣表層進(jìn)行腐蝕剝層，每層厚度為O. 01mm，共十二次。電化學(xué)腐蝕參數(shù)為電壓6V，電流1A，飽和NaCl電解液。(2) X射線衍射譜線利用X射線應(yīng)力儀采集噴丸處理后不同層深的衍射譜線，具體參數(shù)為管電壓30Kv，管電流25mmA，Ni濾波片，Cr-Ka輻射，F(xiàn)e (211)衍射晶面。通過衍射譜線獲得不同層深半高寬數(shù)值，如圖3所示。(3)建立不同噴丸技術(shù)與其處理的材料表面粗糙度之間的關(guān)系利用TR220表面粗糙度儀，由計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)計(jì)算，測量各種工藝噴丸表面的粗糙度，主要檢測的粗糙度參數(shù)包括Ra和Rz等，其中取樣長度O. 4mm并且連續(xù)取5段，每個(gè)噴丸表面均重復(fù)測量3次，最后取其平均值。最后繪制出各種工藝噴丸表面的輪廓線，并對不同噴丸技術(shù)處理的材料表面粗糙度進(jìn)行對比，如圖I所示。(4)建立殘余應(yīng)力與層深的關(guān)系其工作原理是，利用X衍射應(yīng)力分析測量方法，結(jié)合電化學(xué)腐蝕剝層技術(shù)對噴丸試樣表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。利用已測噴丸處理后不同層深為橫坐標(biāo)以及已測對應(yīng)殘余應(yīng)力為縱坐標(biāo)，建立殘余應(yīng)力與層深之間的關(guān)系。并比較不同噴丸技術(shù)對彈簧材料表面殘余應(yīng)力的影響，如圖2所示。(5)建立不同噴丸技術(shù)處理的材料表面X衍射峰線半高寬與層深的關(guān)系其工作原理是，利用X射線衍射獲取預(yù)測區(qū)域衍射線形，獲得半高寬。衍射半高寬是衍射線形的一個(gè)重要參數(shù)，晶粒越大衍射半高寬越窄，通過晶粒與半高寬的關(guān)系計(jì)算出所測點(diǎn)材料晶粒的大小。并以層深為橫坐標(biāo)以其對應(yīng)X衍射峰線的半高寬為從坐標(biāo)，建立不同層深與其對應(yīng)的X衍射峰線的半高寬之間的關(guān)系，比較不同噴丸技術(shù)處理的彈簧材料表面X衍射峰線半高寬，來間接說明不同噴丸技術(shù)對彈簧材料晶粒大小的影響，如圖3所
/Jn ο(6)建立顯微硬度與層深之間的關(guān)系借助電化學(xué)腐蝕方法，從噴丸表面腐蝕到材料不同深度，借助DHV-1000型顯微硬度計(jì)，配備相關(guān)的壓痕圖象分析軟件，測量各種工藝噴丸層顯微硬度及其沿層深的分布，施加載荷50g，保持載荷時(shí)間15s，在同一層深隨機(jī)測量3個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，最后取其平均值。對應(yīng)不同層深顯微硬度為縱坐標(biāo)以層深為橫坐標(biāo)建立相應(yīng)關(guān)系。圖4為彈簧鋼60Si2Mn顯微硬度與腐蝕層深之間的關(guān)系。測量結(jié)果表明，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸加工后的彈簧材料表面粗糙度更小、殘余壓應(yīng)力更大，硬度更高，X射線衍射線半高寬更大(即晶粒更細(xì)小)，彈簧材料表面力學(xué)性能更加優(yōu)良。預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸加工技術(shù)優(yōu)勢明顯，易操作，可大規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益高。
權(quán)利要求
1.一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，該方法為采用噴丸機(jī)對彈簧進(jìn)行預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強(qiáng)度O. 23Amm，第二道工序噴丸強(qiáng)度O. 45Amm，第三道工序噴丸強(qiáng)度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質(zhì)相同，得到處理后的彈簧產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度為Ral. 89/Rz9. 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的噴丸機(jī)為氣動噴丸機(jī)，該氣動噴丸機(jī)采用的彈丸介質(zhì)為G3鋼絲切丸，彈丸直徑為O. 6mm，彈丸硬度為55HRC。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度采用TR220表面粗糙度儀測量，每個(gè)噴丸表面均重復(fù)測量3次，最后取其平均值即得處理后的彈簧產(chǎn)品的粗糙度，并繪制出各種工序噴丸表面的輪廓線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產(chǎn)品借助X射線應(yīng)力分析儀并結(jié)合電化學(xué)剝層技術(shù)，測定彈簧產(chǎn)品噴丸殘余應(yīng)力及其沿材料層深的分布曲線，具體為對彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸層進(jìn)行X射線衍射測量，獲取衍射譜半高寬，在獲取衍射半高寬后，來間接說明晶粒大小的變化規(guī)律，并建立起該種材料半高寬與腐蝕層深之間的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，在測量X射線衍射譜線時(shí)，選擇Cr-Ka輻射，F(xiàn)e(211)衍射晶面，Ni濾波片，測定彈簧產(chǎn)品噴丸殘余應(yīng)力X射線彈性常數(shù)為S2/2 = 5. 92 X KT6MPa-1及S1 = -I. 28 X K^MPa—1，在2 Θ范圍內(nèi)確保衍射峰完整。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的電化學(xué)剝層技術(shù)電壓6V，電流1A，飽和NaCl溶液為電解質(zhì)，剝層每次O. Olmm,共十二次；測量每次剝層后，建立起材料殘余應(yīng)力、衍射半高寬、顯微硬度和腐蝕層深之間的關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產(chǎn)品借助DHV-1000型顯微硬度計(jì)，配備相關(guān)的壓痕圖象分析軟件，測量各種噴丸層顯微硬度HV5tl及其沿層深的分布關(guān)系，在同一層深隨機(jī)測量3個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，最后取其平均值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的彈簧預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸方法，該方法為采用噴丸機(jī)對彈簧進(jìn)行預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理，預(yù)強(qiáng)化精整復(fù)合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強(qiáng)度0.23Amm，第二道工序噴丸強(qiáng)度0.45Amm，第三道工序噴丸強(qiáng)度0.15Amm，三次噴丸的彈丸介質(zhì)相同，得到處理后的彈簧產(chǎn)品。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在增大殘余壓應(yīng)力的有益效應(yīng)外，還可以最大程度避免零件表面粗糙度所帶來的一些不利影響。
文檔編號B24C1/10GK102941536SQ20121047640
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者姜傳海, 付鵬, 詹科 申請人:上海交通大學(xué)