專利名稱：一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法
技術領域：
本發明涉及一種采用預強化精整復合噴丸工藝，對彈簧試件進行噴丸強化處理。用于彈簧材料或零件表面強化技術領域。
背景技術：
表面噴丸強化技術是提高彈簧等零件抗疲勞、抗應力腐蝕以及延長使用壽命的關鍵制造工藝，目前廣泛應用于彈簧加工業界。噴丸處理所導致的材料表層變化包括引入殘余壓應力場、產生形變細化組織結構以及表面粗糙度改變，其中噴丸殘余壓應力場和噴丸形變細化組織結構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，但可以通過優化受控噴丸工藝參數，以避免零件表面粗糙度改變所帶來的一些不利影響。預強化精整復合噴丸工藝要點是，第一道預強化噴丸在材料表層產生一定加工硬化效應，從而在第二道強化噴丸中不至過分增加表面粗糙度，第三道精整噴丸則進一步降低表面粗糙度。結果表明，經過一次強化噴丸、預強化復合噴丸及預強化精整復合噴丸后殘余壓應力、衍射半高寬和顯微硬度沿層深分布深度接近，但預強化復合噴丸尤其是預強化精整復合噴丸工藝的表面粗糙度更低、表面殘余壓應力更大、表面形變組織結構更明顯以及表面顯微硬度更高，會大大提高彈簧鋼的力學性能和使用壽命。此方法不但便捷而且更有效。本發明的目的是克服傳統噴丸技術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，又能有效增強材料表面力學性能的新型噴丸技術。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種有效提高彈簧鋼表面殘余壓應力并能降低表面粗糙度的新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，該方法為采用噴丸機對彈簧進行預強化精整復合噴丸處理，預強化精整復合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強度O. 23Amm，第二道工序噴丸強度O. 45Amm，第三道工序噴丸強度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質相同，得到處理后的彈簧產品O所述的處理后的彈簧產品的粗糙度為Ral. 89/Rz9. 50 μ m。所述的噴丸機為氣動噴丸機，該氣動噴丸機采用的彈丸介質為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品的粗糙度采用TR220表面粗糙度儀測量，每個噴丸表面均重復測量3次，最后取其平均值即得處理后的彈簧產品的粗糙度，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品借助X射線應力分析儀并結合電化學剝層技術，測定彈
3簧產品噴丸殘余應力及其沿材料層深的分布曲線，具體為對彈簧預強化精整復合噴丸層進行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律，并建立起該種材料半高寬與腐蝕層深之間的關系。
在測量X射線衍射譜線時，選擇Cr-Ka輻射，Fe(211)衍射晶面，Ni濾波片，測定彈簧產品噴丸殘余應力X射線彈性常數為S2/2 = 5. 92X KT6MPa-1及S1 = -I. 28X KT6MPa'在2Θ范圍內確保衍射峰完整。所述的電化學剝層技術電壓6V，電流1A，飽和NaCl溶液為電解質，剝層每次
O.01mm，共十二次；測量每次剝層后，建立起材料殘余應力、衍射半高寬、顯微硬度和腐蝕層深之間的關系。所述的處理后的彈簧產品借助DHV-1000型顯微硬度計，配備相關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系，在同一層深隨機測量3個點的顯微硬度，最后取其平均值。對采用本發明方法處理后的彈簧產品進行性能檢測，包括測試的材料表面粗糙度、殘余應力、衍射半高寬、顯微硬度等，具體包括(I)建立不同噴丸技術與其處理的材料表面粗糙度之間的關系利用TR220表面粗糙度儀，由計算機控制和數據計算，測量各種工藝噴丸表面的粗糙度，主要檢測的粗糙度參數包括Ra和Rz等，其中取樣長度O. 4mm并且連續取5段，每個噴丸表面均重復測量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，并對不同噴丸技術處理的材料表面粗糙度進行對比。(2)建立殘余應力與層深的關系其工作原理是，利用X衍射應力分析測量方法，為了與殘余應力測量相配套，選擇Fe(211)衍射晶面，X 射線彈性常數為 S2/2 = 5. 92X10^6MPa^ 及 S1 = -I. 28X lOlPa—1，在
2Θ范圍內確保衍射峰完整。結合電化學腐蝕剝層技術對噴丸試樣表面殘余應力進行測量。利用已測噴丸處理后不同層深為橫坐標以及已測對應殘余應力為縱坐標，建立殘余應力與層深之間的關系。并比較不同噴丸技術對彈簧材料表面殘余應力的影響。(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，當衍射方向與衍射晶面符合布拉格衍射方程時，相應的衍射峰就會出現加強，衍射線形是由晶體材料的微結構決定。根據彈簧材料的衍射譜線，選擇Fe(211)衍射晶面。具體測試參數為管電壓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化組織。(4)建立不同噴丸技術處理的材料表面X衍射峰線半高寬與層深的關系其工作原理是，利用X射線衍射獲取預測區域衍射線形，獲得半高寬。衍射半高寬是衍射線形的一個重要參數，晶粒越大衍射半高寬越窄，通過晶粒與半高寬的關系計算出所測點材料晶粒的大小。并以層深為橫坐標以其對應X衍射峰線的半高寬為從坐標，建立不同層深與其對應的X衍射峰線的半高寬之間的關系，比較不同噴丸技術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對彈簧材料晶粒大小的影響。(5)建立不同噴丸技術處理的材料表面硬度與層深的關系
借助電化學腐蝕方法，從噴丸表面腐蝕到材料不同深度，借助DHV-1000型顯微硬度計，配備相關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，保持載荷時間15s，在同一層深隨機測量3個點的顯微硬度，最后取其平均值。最后，比較不同噴丸技術處理的材料表面硬度之間的大小。比較與傳統噴丸技術得到的材料性能，會發現新型的彈簧預強化精整復合噴丸技術會明顯優于傳統噴丸工藝。與現有技術相比，本發明所提出的預強化精整復合噴丸方法，可明顯提高彈簧材料的力學性能。與傳統噴丸技術相比，預強化精整復合噴丸加工后的彈簧材料表面粗糙度更小、殘余壓應力更大，硬度更高，X射線衍射線半高寬更大(即晶粒更細小)，彈簧材料表面力學性能更加優良。


圖I為一次噴丸(O. 45Amm)表面輪廓線，預強化復合噴丸(O. 23+0. 45Amm)表面輪廓線，預強化精整復合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)表面輪廓線比較圖；圖2為一次噴丸(O. 45Amm)、預強化復合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預強化精整復合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)殘余應力沿層深分布圖；圖3為一次噴丸(O. 45Amm)、預強化復合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預強化精整復合噴丸(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)、預強化復合噴丸(O. 23+0. 45Amm)及預強化精整復合噴丸(O. 23+0. 45+0. 15Amm)顯微硬度沿層深分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。選擇牌號為60Si2Mn，熱處理工藝為870°C油淬火以及450°C回火，調質后的材料硬度為HRC48左右。經過線切割成尺寸為30X20X5mm3的彈簧鋼作為試樣。對該試樣分別進行一次噴丸處理，預強化復合噴丸處理以及采用本發明的預強化精整復合噴丸處理，并比較處理后的產品性能。對比例I一次噴丸處理利用氣動式噴丸機，對試樣進行噴丸處理一次噴丸工藝，利用氣動噴丸機，G3鋼絲切丸，彈丸直徑O. 6mm,彈丸硬度55HRC，噴丸強度O. 45Amm,覆蓋率200%以上。對比例2預強化復合噴丸處理預強化復合噴丸工藝包括兩道工序，第一道工序噴丸強度O. 23Amm,第二道工序噴丸強度O. 45Amm，兩次噴丸的彈丸介質不變，其中第一道噴丸主要目的是對材料近表面進行初步強化處理，第二道噴丸才是噴丸強化的主要工序。然而經過O. 23Amm預強化噴丸后，因材料表面發生了加工硬化現象，在后續強化噴丸過程中不至于過分增加噴丸表面粗糙度。實施例I預強化精整復合噴丸處理
采用噴丸機對彈簧進行預強化精整復合噴丸處理，預強化精整復合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強度O. 23A mm，第二道工序噴丸強度O. 45Amm，第三道工序噴丸強度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質相同，其中第三道O. 15Amm精整噴丸可進一步降低噴丸表面粗糙度，得到處理后的彈簧產品。所述的噴丸機為氣動噴丸機，該氣動噴丸機采用的彈丸介質為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行性能測試(I)電化學腐蝕對試樣表層進行腐蝕剝層，每層厚度為O. 01mm，共十二次。電化學腐蝕參數為電壓6V，電流1A，飽和NaCl電解液。(2) X射線衍射譜線利用X射線應力儀采集噴丸處理后不同層深的衍射譜線，具體參數為管電壓30Kv，管電流25mmA，Ni濾波片，Cr-Ka輻射，Fe (211)衍射晶面。通過衍射譜線獲得不同層深半高寬數值，如圖3所示。(3)建立不同噴丸技術與其處理的材料表面粗糙度之間的關系利用TR220表面粗糙度儀，由計算機控制和數據計算，測量各種工藝噴丸表面的粗糙度，主要檢測的粗糙度參數包括Ra和Rz等，其中取樣長度O. 4mm并且連續取5段，每個噴丸表面均重復測量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，并對不同噴丸技術處理的材料表面粗糙度進行對比，如圖I所示。(4)建立殘余應力與層深的關系其工作原理是，利用X衍射應力分析測量方法，結合電化學腐蝕剝層技術對噴丸試樣表面殘余應力進行測量。利用已測噴丸處理后不同層深為橫坐標以及已測對應殘余應力為縱坐標，建立殘余應力與層深之間的關系。并比較不同噴丸技術對彈簧材料表面殘余應力的影響，如圖2所示。(5)建立不同噴丸技術處理的材料表面X衍射峰線半高寬與層深的關系其工作原理是，利用X射線衍射獲取預測區域衍射線形，獲得半高寬。衍射半高寬是衍射線形的一個重要參數，晶粒越大衍射半高寬越窄，通過晶粒與半高寬的關系計算出所測點材料晶粒的大小。并以層深為橫坐標以其對應X衍射峰線的半高寬為從坐標，建立不同層深與其對應的X衍射峰線的半高寬之間的關系，比較不同噴丸技術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系借助電化學腐蝕方法，從噴丸表面腐蝕到材料不同深度，借助DHV-1000型顯微硬度計，配備相關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，保持載荷時間15s，在同一層深隨機測量3個點的顯微硬度，最后取其平均值。對應不同層深顯微硬度為縱坐標以層深為橫坐標建立相應關系。圖4為彈簧鋼60Si2Mn顯微硬度與腐蝕層深之間的關系。測量結果表明，預強化精整復合噴丸加工后的彈簧材料表面粗糙度更小、殘余壓應力更大，硬度更高，X射線衍射線半高寬更大(即晶粒更細小)，彈簧材料表面力學性能更加優良。預強化精整復合噴丸加工技術優勢明顯，易操作，可大規模生產，經濟效益高。
權利要求
1.一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，該方法為采用噴丸機對彈簧進行預強化精整復合噴丸處理，預強化精整復合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強度O. 23Amm，第二道工序噴丸強度O. 45Amm，第三道工序噴丸強度O. 15Amm，三次噴丸的彈丸介質相同，得到處理后的彈簧產品。
2.根據權利要求I所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產品的粗糙度為Ral. 89/Rz9. 50 μ m。
3.根據權利要求I所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的噴丸機為氣動噴丸機，該氣動噴丸機采用的彈丸介質為G3鋼絲切丸，彈丸直徑為O. 6mm，彈丸硬度為55HRC。
4.根據權利要求2所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產品的粗糙度采用TR220表面粗糙度儀測量，每個噴丸表面均重復測量3次，最后取其平均值即得處理后的彈簧產品的粗糙度，并繪制出各種工序噴丸表面的輪廓線。
5.根據權利要求I所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產品借助X射線應力分析儀并結合電化學剝層技術，測定彈簧產品噴丸殘余應力及其沿材料層深的分布曲線，具體為對彈簧預強化精整復合噴丸層進行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律，并建立起該種材料半高寬與腐蝕層深之間的關系。
6.根據權利要求5所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，在測量X射線衍射譜線時，選擇Cr-Ka輻射，Fe(211)衍射晶面，Ni濾波片，測定彈簧產品噴丸殘余應力X射線彈性常數為S2/2 = 5. 92 X KT6MPa-1及S1 = -I. 28 X K^MPa—1，在2 Θ范圍內確保衍射峰完整。
7.根據權利要求5所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的電化學剝層技術電壓6V，電流1A，飽和NaCl溶液為電解質，剝層每次O. Olmm,共十二次；測量每次剝層后，建立起材料殘余應力、衍射半高寬、顯微硬度和腐蝕層深之間的關系。
8.根據權利要求I所述的一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，其特征在于，所述的處理后的彈簧產品借助DHV-1000型顯微硬度計，配備相關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系，在同一層深隨機測量3個點的顯微硬度，最后取其平均值。
全文摘要
本發明涉及一種新型的彈簧預強化精整復合噴丸方法，該方法為采用噴丸機對彈簧進行預強化精整復合噴丸處理，預強化精整復合噴丸處理包括三道工序第一道工序噴丸強度0.23Amm，第二道工序噴丸強度0.45Amm，第三道工序噴丸強度0.15Amm，三次噴丸的彈丸介質相同，得到處理后的彈簧產品。與現有技術相比，本發明在增大殘余壓應力的有益效應外，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 優先權日2012年11月21日
發明者姜傳海, 付鵬, 詹科 申請人:上海交通大學