钢材表面抛丸除锈用高碳铸钢丸的磨损失效原理

0 前言

对钢材实施抛 (喷 )丸处理 ,能最大限度地去除其表面的锈迹。过去 ,多重视抛 (喷 )丸设备及清理效果 , 忽视了对钢丸自身磨损过程的研究 ,因而其清理效果往往不尽人意。清理效果除了直接与钢丸自身的质量,如成分、硬度、粒度和密度等有关外,还与其欧文寿命和磨损过程有关。为此 ,本工作用欧文寿命试验机模拟抛 (喷 )丸清理设备 ,用 100%替代法测定高碳铸钢丸的欧文寿命 ,并观察其磨损失效形式 ,分析讨论磨损失效的过程 ,为提高钢丸的品质做了前期基础工作。

1 试验

1. 1 试样的选用

选用离心雾化成型的铸态高碳铸钢丸 (简称钢丸),化学成分 (质量分数):0. 930%C,0. 640%Si, 0. 650%Mn,0. 019%S,0. 044%P,余量为 Fe。钢丸经 840 °C二次淬火 , 550 °C回火后 ,取无异形、裂纹、气孔和收缩缺陷的颗粒作为试样,其主要性能参数见表表 1 。

1.2 测试方法

选取 20 g钢丸试样 ,用欧文寿命试验机模拟钢丸清理过程 ,抛射速度为 61 m / s, 100%替代法测试其欧文寿命为 2 995次。假设 3 000次时钢丸已完全消耗 , 则循环次数最大为 2 500 次 ,从 500 次开始 ,每隔 500 次为 1个周期 ,得到 5组磨损样品。用 40目筛筛分每周期磨损后的钢丸 ,去除细小粉末 ,用 JSM 26700F型扫描电子显微镜 ( SEM )观察形貌 ,分析磨损失效形式 ,在10倍放大镜下观察各磨损失效形式的比例 (质量比 ) , 用 HP SJ8250型扫描仪记录钢丸粒度和形貌的变化。

2 结果与分析

2. 1磨损失效形貌

对 5组磨损样品用扫描电镜观察后发现:在不同循环次数下 ,钢丸样品的磨损失效形式可归纳为表层剥落和心部脱落 2大类 ,属于冲击磨损 ,具有不同的磨损形貌和产生机理 ,导致不同的磨损速度。

2. 1. 1 表层剥落

钢丸磨损样品呈多面球形 ,其磨损失效形式为表层剥落 (见图 1a)。钢丸在欧文寿命机内循环被高速抛到硬靶(硬度 >63HRC)上,其动能除转化为热量外, 大部分被钢丸自身及碰撞的靶表面层所吸收 ,引起钢丸球面的局部塑性变形并形成 1个“小平面 ”结构 ,此处为压应力,每次抛打都会随机出现 1个不同的小平面 ,使钢丸呈多面球形。表层位错滑移形变发生加工硬化 ,引起钢丸表面硬度和强度提高,塑性和冲击韧性降低。两侧小平面所受压应力方向和大小不同 , 小平面交界处呈现拉应力。当拉应力大于抗拉强度或剪切强度时 ,表层出现横向裂纹 ,局部表层撕裂而翘起(见图 1b)。多次抛打冲击后,裂纹继续横向扩展并相互贯通 ,发生表层剥落 (见图 1c)。从图 1d可以看出 ,断裂韧窝比较平整 ,说明裂纹横向扩展并导致受力表面与基体发生撕裂 ,表层的剥落是低周次疲劳韧性断裂。

2. 1. 2 心部脱落

钢丸磨损样品中有的心部缺损或呈半状的碎粒 ,其磨损失效形式为心部脱落 (见图 2a)。钢丸虽经回火热处理 ,硬度降低 ,冲击韧性提高 ,但仍然会因造粒雾化成丸急冷凝固时心部发生碳析反应 ,在高温下析出 C O , 形成严重气孔、疏松、夹杂物等缺陷 , 使组织致密性降低。当钢丸受力时 ,韧性比较好的表层部分发生剥落 ,受到表层形变的影响 ,心部会产生裂纹 ,且极易沿心部缺陷纵向扩展 ,使心部逐渐松动 ,当裂纹扩展至表层 ,且表层所受交变负荷超过材料疲劳极限时 ,表层将发生破裂而引起钢丸破碎 (见图 2b)。图 2c为图 2b 中表层端口处的等轴韧窝形貌 ,可见表层为裂纹纵向扩展引起的韧性断裂。松动的心部会沿破碎处呈块状脱落 ,形成 1个空心钢丸 (见图 2d) ,脱落后碎粒的外表面会再次发生表层剥落。

2. 2 磨损前后粒度及形貌变化

钢丸以一定动能抛 (喷 )到欧文寿命机的硬靶上 ,最明显的变化是平均粒度的减小。图 3是扫描仪记录的磨损过程中钢丸粒度及形貌的变化图。从图中可以看出 ,磨损前钢丸呈均匀的球形 ,平均粒度为 1. 7 mm;经过500次循环后 ,约有 40%颗粒破碎并产生块状颗粒及更小的碎粒粉 ,发生心部脱落 ,但大部分颗粒呈多面球形 , 发生表层剥落 ,平均粒度降低幅度不大 ;循环次数增加到1 000次时 ,只有约 20%的颗粒呈多面球形 ,粒度大于 1. 0mm ,大部分颗粒粒度小于 0. 5 mm ,降幅明显 ,显然是表层剥落的颗粒破碎 ,引起了心部脱落 ;当循环次数增加到 2 500次时只有约 1%的颗粒呈球形 ,其粒度在 0. 5 mm以下 ,说明心部脱落引起了粒度的大幅度降低。

2. 3 磨损失效形式比例及损耗量比例

设钢丸磨损前的原始质量为 m t ,磨损各阶段的损耗量为 mm l ,表层剥落颗粒质量为 m s ,心部脱落颗粒质量为 mc ,用 ms /mt 和 mc /mt 分别表征相同循环次数下 2种磨损失效形式的比例。图 4为 2种磨损失效形式比例和损耗量比例与循环次数的关系。可见 , 2种磨损形式的比例均呈现先增加后降低的趋势 ,但其峰值出现的位置不一样 , m s /m t 在 500次循环时达到峰值 ,而 mc /mt在1000次才达到峰值,即在较低循环次数时以表层剥落为主 ,随循环次数增加 ,心部脱落比例增加 , 占主导地位。500次之内 ,ms /mt 和 mc /mt 均呈上升趋势 ,是由于新钢丸在低周次循环时不断发生表层剥落 , 其中只有小部分发生表层剥落的钢丸所受应力超过低周疲劳极限而发生心部脱落;在 500~1 000次内循环时 ,ms /mt 骤然下降 ,mc /mt 上升且占主导地位 ,说明大部分表层剥落的颗粒已经发展为心部脱落 ,发生心部脱落的颗粒数量相对增加 ; 1 000 ~2 500次循环时 , ms /mt和 mc /mt 均下降 ,但 mc /mt 占主导 ,说明此阶段不但表层剥落的颗粒不断发生心部脱落 ,而且心部脱落的颗粒也明显地破碎损耗 ,但 m c /m t 下降的幅度要明显大于 m s /m t ,说明心部脱落引起了较高的破碎率。

损耗量包括欧文寿命机内被除尘袋除去的小于 0. 300 mm 的碎屑和磨损后通过 0. 425 mm 筛孔筛下的碎粒。图 4中的损耗量比例曲线显示了损耗量与循环次数的关系 ,呈逐渐上升的类抛物线状 ,损耗量随循环次数的增加而不断增加 , 500次和 1 000次时损耗量占原始总量的 10. 5%和 18. 1%,而 1 500次时达到 43. 1%,2 000次和 2 500次后分别达到 61. 1%和 84. 2%;曲线的斜率代表了磨损速率 ,可见 1 000次以前磨损较慢 , 1 500次以后磨损速度加快 ,这也说明在较低周次 m s /m t 占主导地位时 ,引起的损耗量较小 ,而

在较高周次mc /mt占主导地位时,引起的损耗量大。由上可知 ,钢丸的磨损失效属于冲击磨损 ,循环初期表现为表层剥落 ,随着循环次数的增加 ,钢丸所受应力累加 ,超过其低周疲劳极限时 ,发生破碎 ,产生心部脱落 ,从而引起了粒度明显降低和损耗量明显增加 ,直至大部分表层剥落转变为心部脱落。高品质的钢丸磨损失效形式应以表层剥落为主。