42CrMoA高强度钢是车用动力领域的常用材料,多用作发动机连杆、曲轴、联接轴等。随着汽车动力向高强化方向发展,42CrMoA钢零部件的疲劳性能要求更加严格。然而传统单次喷丸强化零件存在疲劳强度不足的问题,无法满足该发展要求。复合喷丸工艺是指采用钢丸和陶瓷丸进行二次或多次喷丸的方法,与单次喷丸工艺相比可有效改变零件表层残余应力,提高表面质量。目前,复合喷丸相关研究主要集中在航空领域,以铝合金、钛合金、镁合金材料为主,鲜有关于42CrMoA钢的研究报道。为此,作者对42CrMoA钢进行单次喷丸强化精整复合喷丸强化(钢丸十钢丸)和抛光复合喷丸强化(钢丸十陶瓷丸)处理,研究了不同喷丸条件下42 Crmoa钢的表面粗糙度、疲劳性能以及残余应力、晶粒尺寸、显微硬度等随层深的分布情况,拟为提高42 Crmoa钢零部件的服役寿命提供参考。

1试样制备与试验方法

1.1试样制备

试验材料为经调质处理的42CrMoA高强钢,其化学成分(质量分数/%)为0.38~0.45C;0.17~0.37Si;0.50~0.80Mn;0.90~1.20Cr;0.15~0.25M抗拉强度为1080MPa,屈服强度为930MPa,硬度为285~331HB。

通过线切割法截取尺寸为30mm×20mmx10mm(长×宽×高)的试样,其中长×宽面为喷丸处理面。采用数控喷丸强化设备进行喷丸处理。单次喷丸强化:钢丸为G3钢丝(直径0.8mm,硬度55HRC),喷丸强度为0.45mm,总覆盖率为100%。精整复合喷丸:在单次喷丸强化基础上,用G3钢丝切丸进行二次喷丸强化,总喷丸强度为0.70mm,总覆盖率为200%。抛光复合喷丸强化:在精整复合喷丸强化基础上,用陶瓷丸(直径0.1~0.2mm,硬度700HV)再次进行喷丸,总喷丸强度为0.85mm,总覆盖率为300%。

2试验结果与讨论

2.1残余应力

由图1可知:未喷丸42CrMoA钢表面存在着约86.8MPa的残余拉应力;喷丸处理后,试样近表层出现残余压应力,随着层深的增加,残余压应力先增大后减小;单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸后试样表面残余压应力依次增大,分别为460,492,542MPa,说明复合喷丸大幅度提高了42CrMoA钢的表面残余压应力;不同工艺喷丸处理后,试样最大残余压应力相差不大(约为600MPa),均出现在距表面约100μm处,残余压应力层的总深度相近,喷丸处理方式对上述二者影响不大。单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸的总喷丸强度依次累计增加,试样表面塑性变形量亦增加,故复合喷丸可进一步提高材料表面残余压应力。由于第次钢丸喷丸和陶瓷丸喷丸强度仅为0.25,0.15mm,远低于第一次钢丸喷丸的,所以试样最大残余应力和应力层深度变化不明显。

2.2晶粒尺寸

Ⅹ射线衍射峰半高宽可间接表征材料喷丸后的组织结构变化及加工硬化特征。材料表面在喷丸过程中反复受到弹丸打击,即循环发生塑性变形,造成晶格畸变并产生细小亚晶粒,晶体结构随之改变。喷丸强度越高,材料表层晶粒尺寸越细小,晶格畸变越明显,X射线衍射峰半高宽越大。从图2可以看出,喷丸前后,衍射峰半高宽均随着深度的增加而减小,说明试样表面组织较为细小;喷丸处理后,试样的衍射峰明显宽化,单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸后试样表面衍射峰半高宽依次增大,分别较未喷丸试样的(2.625°)增加了27.8%,32.0%,36.9%。由此可知,复合喷丸可以更加有效地细化表层晶粒,其中抛光复合喷丸的细化效果最好。

2.3显微硬度

由图3可知:喷丸前后试样的显微硬度均随着深度的增加而减小,与衍射峰半高宽即晶粒尺寸的变化趋势一致;单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸后试样表面的显微硬度分别为443.0,453.8,464.5HV,较未喷丸的(378.0HV)分别提高了17%,20%,23%;随深度增加,不同喷丸处理试样的硬度相差不大,单次喷丸试样的硬度总体略低于复合喷丸试样的,但硬化层深度的差异不明显。喷丸处理提高了试样表面残余压应力,同时形变组织细化产生细晶强化效果,故其表层显微硬度明显提高。

2.4表面粗糙度

由图4可知:未喷丸试样仅经过机加工处理,其表面粗糙度较小,Ra

为0.63μm,Rz为4.87μm。单次喷丸后试样表面粗糙度大幅增加,Ra(3.71μm)、Rz(17.73μm)分别增加了489%,264%;复合喷丸试样的表面粗糙度较单次喷丸试样的有所降低,其中抛光复合喷丸试样的下降幅度较大,表面粗糙度Ra为1.45μm,Rz为8.16μm。由此可见,与单次喷丸相比复合喷丸尤其是抛光复合喷丸可显著降低42CrMoA钢的喷丸表面粗糙度。

2.5疲劳性能

试验测得单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸试样的疲劳极限分别为387,398,427MPa。与单次喷丸相比,复合喷丸能够提高42CrMoA钢的疲劳极限。精整复合喷丸、抛光复合喷丸试样的疲劳极限较单次喷丸的分别提高了2.8%和10.0%,后者可以更好地改善疲劳性能。

复合喷丸能够有效提高42CrMoA钢表面残余压应力、细化晶粒、降低喷丸表面粗糙度,进而提高疲劳性能。复合喷丸工艺可以应用于框梁类、起落架、壁板等重要承载部件,也可应用于发动机高速运动的零部件,对于改善材料服役安全性,延长使用寿命具有重要意义。

3结论

(1)42CrMoA钢喷丸处理表层存在残余压应力,单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸后,表面残余压应力依次增大,最大残余压应力和应力层深度相差不大。

2)与未喷丸试样相比.喷丸处理后,42CrMoA钢的表面晶粒细化、硬度增加、表面粗糙度增大;单次喷丸、精整复合喷丸、抛光复合喷丸试样的疲劳极限依次增大,表面晶粒尺寸依次减小.显微硬度较未喷丸的(378HV)分别提高了17%,20%,23%;复合喷丸尤其是抛光复合喷丸可显著降低42CrMoA钢的喷丸表面粗糙度。