噴丸處理采用特殊的鋼丸作為介質來高速沖擊材料的表面，從而使表面壓縮、致密。表面壓應力提供了更高的抗熱疲勞和應力腐蝕開裂性能。為了評價噴丸處理對H13模具鋼熱龜裂和力學性能的影響，本文進行了沖擊、熱疲勞和磨損實驗，以及SEM顯微組織和顯微硬度的分析。 實驗結果表明，對H13模具鋼施加0.5MPa壓力、30分鐘的噴丸處理后，可達到改善組織和疲勞性能的最佳效果。該工藝可使H13模具鋼的表面硬度提高至561HV，疲勞強度極限提高2 ~ 3倍。 該技術可成功應用于壓鑄模具，顯著提高和延長模具壽命。 引言 噴丸強化工藝是通過一股連續(xù)的、帶有動能的球形丸料撞擊零件表面使其硬化。由于幾乎所有的疲勞和應力腐蝕失效都發(fā)生在材料表面，而噴丸可以在材料表面形成殘余壓應力，從而改善材料的抗熱疲勞、應力開裂和腐蝕性能。噴丸處理的加工硬化效果也可以提高材料的表面硬度。噴丸強化作為一種低成本、簡便的提高材料疲勞強度的方法，已得到廣泛應用。 本研究旨在探討噴丸處理對壓鑄模具鋼H13的影響，并確定影響噴丸質量的工藝的參數。 實驗 在本研究中，丸料選用鑄鋼丸，硬度為45~48HRC，平均直徑為0.3mm，在穩(wěn)定噴丸壓力和噴丸覆蓋下進行噴丸處理。實驗采用優(yōu)質H13模具鋼，試樣(30×30×4mm)經熱處理后硬度達到47~48HRC。 H13模具鋼熱處理工藝參數 噴丸處理以丸料高速沖擊材料表面，致使表層組織結構壓縮致密。在本實驗中，噴丸影響區(qū)域為距離材料表面為0.07~0.1mm深度的表層組織。已有報道表明，在熱循環(huán)過程中，由噴丸產生的表面殘余壓應力可以一定程度地保留下來。因此，在某些特定的情況下(材料、噴丸工藝、熱循環(huán)次數、噴丸過程和熱加載循環(huán))，這種水平的殘余壓應力對提高材料的熱疲勞性能是有利的。 本研究采用Uddeholm標準方法來評價材料的熱疲勞性能。Uddeholm方法是基于對小圓柱形固體樣品表面的高頻加熱，根據設定的上下限溫度對材料表面進行循環(huán)加熱和冷卻，可以得到熱疲勞性能的測量結果。熱循環(huán)設計如下:溫度范圍為室溫至700℃;加熱時間3.6s、保溫時間1s;冷卻時間8s、保持時間1s;冷卻介質:水;循環(huán)次數:1~1000。熱疲勞裂紋長度采用Uddeholm標準法測定。在此基礎上，根據熱疲勞裂紋評級圖對試樣的熱疲勞行為進行評級，包括網格狀的裂紋以及主裂紋。 在噴丸過程中，涉及的工藝參數較多，如噴丸覆蓋范圍、覆蓋率、噴丸材料、丸料尺寸、噴丸壓力和噴丸時間。本實驗設計了3個不同的噴丸時間:20min、30min和60min。噴丸壓力為0.5MPa，覆蓋率大于200%，丸料尺寸為0.3mm。對H13模具鋼進行了室溫顯微組織、硬度檢驗、磨損、沖擊和疲勞試驗，比較了未經處理和噴丸處理的H13模具鋼的差異。最后，將優(yōu)化后的工藝應用于壓鑄模具，并評價其服役性能。 結果與討論 下圖顯示了H13模具鋼經過三種不同時間的噴丸處理后的表面硬度。所有樣品的表面硬度均有顯著提高，能夠降低表面缺陷導致的疲勞開裂風險。T1、T2、T3三條曲線分別代表不同噴丸處理時間，其中T1 (20 min)最短，T3 (60min)最長。噴丸處理參數對噴丸變形層的表面硬度和深度均有影響。噴丸處理時間最長的T3試樣，其表面硬度提高到618HV。但表面粗糙度較高(可達Ra=1μm)，不適用于壓鑄模具。而經過最短的飽和處理后，表面硬度最低，為T1 (554HV)，不能有效提高模具的耐磨性。因此，T2是對H13模具鋼進行噴丸強化的最佳處理時間，可以將硬度提高到561HV，并達到合適的粗糙度。 H13模具鋼不同噴丸時間處理后的硬度變化 經過機加工和熱處理，在材料表面會形成殘余拉應力，可能導致材料缺陷。通常情況下，在加載過程中拉應力集中在裂紋的頂部或底部，但噴丸處理產生的殘余壓應力傾向于抵消拉應力，進而消除裂紋。下圖顯示了經過最佳噴丸處理后的H13模具鋼的截面顯微組織。通過噴丸處理的加工硬化作用獲得了硬化的表層組織結構。結果表明，噴丸處理可引起材料表面的塑性變形，從而在材料表面形成滑移帶和位錯結構。在本研究中，H13模具鋼經過噴丸處理后，表面出現了滑移帶。表面結構的改善提高了材料的耐磨性和疲勞強度。 H13模具鋼最佳噴丸工藝處理后的截面微觀組織 大多數壓鑄模具在熱處理后需要電火花加工，電火花加工后模具的粗糙度通常較高。因此，為了降低粗糙度，拋光過程是必要的。 下圖為H13模具鋼經不同拋光處理、噴丸處理以及電火花處理后的表面形貌圖。由于噴丸處理是在高壓、高速過程中完成的，因此控制材料的粗糙度就顯得尤為重要。 圖a顯示了當H13模具鋼在電火花加工后的粗糙度接近Ra=4.13μm。經過粗拋光(200目)后，表面粗糙度降低到Ra=1.4μm，如圖b所示。由于大多數壓鑄模具的粗糙度要求低于Ra=1μm，有必要進行精拋光處理(400目)，以達到Ra=0.74μm，如圖c所示，經過最佳噴丸處理后，H13模具鋼的粗糙度為Ra=0.94μm。因此，噴丸處理不僅可以提高表面硬度，也可以消除表面缺陷。結果表明，噴丸處理在表面形成了致密均勻的組織，從而明顯消除了材料表面缺陷，如圖d所示。 H13模具鋼經過電火花處理、拋光處理 和噴丸處理后的表面形貌 磨損試驗，通過ASTM G99型銷盤滑動摩擦磨損試驗機進行。在磨損試驗中，加載重量保持在10N，滑動速度為0.3m/s，銷采用硬度為680HV的Cr鋼球。噴丸工藝在提高材料表面硬度的同時，產生了致密而均勻的組織，它還產生了殘余壓應力和高韌性的表面。磨損試驗曲線如圖所示。未處理試件在滑行500m后，其摩擦系數迅速增大。而經過噴丸處理后，滑動1100m后摩擦系數增加緩慢。結果表明，噴丸處理可提高H13模具鋼的耐磨性。具體而言，在本研究中，未處理試樣的摩擦系數為0.21，噴丸處理后的為0.16。 H13模具鋼的磨損實驗曲線 （b）未處理，（c）噴丸處理 采用摩爾旋轉試驗機進行疲勞試驗。下圖為H13模具鋼噴丸處理和未處理試樣的旋轉疲勞試驗結果。噴丸處理后的疲勞曲線改善明顯，說明噴丸處理可以提高H13模具鋼的疲勞強度。 在本研究中，相同的應力強度為898.3MPa的疲勞實驗中，未處理的試樣在循環(huán)10600次后斷裂，而處理的試樣在循環(huán)38300次后才斷裂。當循環(huán)次數達到1千萬次時，未處理試樣的疲勞強度為529.5 MPa，但噴丸處理試樣達到699.4 MPa。 這表明噴丸處理可使疲勞強度提高2~3倍，這是由于噴丸處理誘導的壓應力所致。 H13模具鋼未處理和噴丸處理的疲勞S-N曲線 已有研究表明噴丸處理能有效提高熱加工鋼的刀具壽命，噴丸處理被證明可以改善和減緩高溫過程中的熱裂紋。H13模具鋼經過700℃的熱循環(huán)后的熱疲勞裂紋如圖所示。裂紋長度與循環(huán)次數和每次循環(huán)的最高溫度有關。 由圖a可知，經過400次循環(huán)后，未處理試件的裂紋長度明顯增加。可見，熱疲勞裂紋是在進入快速擴展階段時出現的。然而，噴丸處理后的試樣顯示裂紋長度僅有輕微增加的趨勢，如圖b所示。 H13模具鋼未處理和噴丸處理的熱疲勞裂紋長度變化 根據Uddeholm熱疲勞裂紋評級圖，有兩種評價體系，其中A評價體系基于網絡裂紋，B評價體系基于主裂紋，每一種分為10個等級。在本研究中，未處理試樣的熱疲勞裂紋評級為16，噴丸處理試樣的熱疲勞裂紋評級為5。結果表明，噴丸處理后的試樣比未處理的試樣具有更高的耐熱性和更長的壽命。噴丸處理通過提高表面硬度和改變應力分布，增加熱疲勞循環(huán)過程中的塑性變形，從而抑制了裂紋的產生和擴展。 一般來說，抗沖擊性、抗斷裂韌性或抗開裂性與鋼的硬度成反比，韌性低歸因于材料的表面硬度高。下圖為H13模具鋼不同表面處理后的沖擊功。本研究采用夏比試驗和V型缺口試樣。結果表明，噴丸后試樣的沖擊功高于未處理的試樣。具體來說，噴丸處理不僅產生各種材料組織結構上的改善，而且還在金屬表面產生微小的壓痕或凹痕。該工藝還改善了電火花層，并產生了更高的材料表面抗沖擊性能。在本研究中，噴丸處理試樣沖擊功最高(18.4 J)。 H13模具鋼不同處理狀態(tài)的沖擊功 噴丸處理已成功應用于壓鑄模具，以改善熱裂紋，延長模具壽命，如圖所示。噴丸處理可以提高表面硬度，減少表面缺陷導致疲勞開裂的可能性。實例分析表明，采用最佳噴丸處理可以有效地防止裂紋的產生。最重要的是，該工藝既適用于新模具，也適用于舊模具，因為反復的噴丸處理仍可以提高模具的性能。它的應用也可以擴展到其他領域，特別是在冷熱鍛模中。 噴丸強化在H13壓鑄模具的應用案例 噴丸強化在H13壓鑄模具的應用案例 結論 噴丸處理可提高H13模具鋼的耐磨性、韌性和疲勞性能。在本研究中，經噴丸處理后的H13模具鋼表面出現塑性變形，導致產生滑移帶，提高了材料的耐磨性和疲勞強度。 實驗結果表明，經過0.5MPa，30min的噴丸處理后H13鋼可達到最佳性能。該工藝可使材料的表面硬度提高到561HV，疲勞強度提高到2~3倍，因此，本研究證明噴丸處理可以成功地改善壓鑄模具的熱裂紋行為，延長模具壽命，并且該工藝適用于新模具和舊模具。 譯文轉載出處：Chang S H , Tang T P , Tai F C . Enhancement of thermal cracking and mechanical properties of H13 tool steel by shot peening treatment[J]. Surface Engineering, 2011, 27(8):581-586.
