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第 5 卷- 2017 年 6 月刊
抛喷丸强化与清理用钛丝切丸金属磨料磨损失效过程的研究



表1:钛丝切丸金属磨料性能


图1:钛丝切丸形貌随冲击次数变化 (a)原始切丸 (b)200次 (c)3000次 (d)6000次 (e)7000次 (f)9000次


图2:钛丝切丸不同冲击循环次数下的剩余质量


图3:钛丝切丸抛打不同次数后钛板形貌 (a)原始钛板表面 (b)10次抛打后 (c)30次抛打后(d)60次抛打后

摘要:利用显微硬度计测定了0.6mm钛丝切丸金属磨料的硬度,利用ERVIN欧文寿命试验机测定抛喷丸磨损过程,利用面积法计算试样的欧文循环寿命,并对钛板进行了抛打试验。结果表明:钛丝切丸硬度为374.8HV;ERVIN欧文循环寿命为5199次;磨损失效分为磨圆钝化、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段;抛打后钛试片可达100%覆盖率,清洁度等级评判为Sa3级。关键词:钛丝切丸;磨损过程;欧文循环寿命;抛喷丸清理

  钛合金具有比强度高,耐腐蚀性能好及综合力学性能优良等诸多优点,广泛应用于航空航天、船舶、化工及兵器工业等领域[1]。查阅大量文献,未见有关钛及其合金材料的金属磨料产品以及用该金属磨料抛喷丸清理及强化钛材的相关报道。本实验用山东开泰集团有限公司公司新研发的0.6mm钛丝切丸金属磨料做试样,利用显微硬度计测定了其显微硬度,利用ERVIN欧文寿命试验机测定其抛喷丸磨损过程,利用面积法计算试样的欧文循环寿命,并对钛板进行了抛打试验。

1. 试验材料与方法

1.1 试验材料

  由TC4钛合金丝制得的粒度为0.6mm的钛丝切丸金属磨料,化学成分(质量分数)为:铁(Fe)≤0.30%,碳(C)≤0.10%,氮(N)≤0.05%,氢(H)≤0.015%,氧(O)≤0.20%,铝(Al)5.5%~6.8%,钒(V)3.5%~4.5%,余量为钛,其性能见表1。

1.2 试验方法

  钛丝切丸磨损试验:称量50g,0.6mm钛丝切丸,置于欧文循环寿命试验机中,每500次抛打磨损后取出,用孔径0.30mm的标准筛筛分试样,称量并记录剩余筛上物质量,并用Epson V19扫描仪扫描,以观察其形貌的变化,并将剩余试样重新放入欧文寿命试验机中,重复以上步骤,直到试样质量少于2.5g后,停止实验,按SAE J445-2005 Metallic Shot and Grit Mechanical testing标准[3],用面积法[4]测量试样欧文循环寿命。

  钛丝切丸抛喷丸强化与清理模拟试验:用尺寸76mm×17mm×4mm(长×宽×厚)、硬度为223HV的钛板替换欧文寿命试验机的靶材,称取经200次钝化磨圆后的钛丝切丸5g,进行抛打实验,每抛打一定次数后,对试片进行表面形貌扫描,并与标准覆盖率试片比对,直至试片覆盖率为100%。

2. 试验结果

2.1 磨损过程

  在整个磨损失效过程中,0-200次磨损为磨圆钝化阶段,钛丝切丸在冲击循环过程中逐渐由圆柱状逐渐变为圆球状;200-6000次磨损为稳定磨损阶段,在此阶段内弹丸吸收部分冲击功[5]而发生塑性变形,表层产生加工硬化,在剪切应力作用下逐渐变形、翘起,多次反复弯折后脱落,此阶段弹丸质量的损失主要为表层脱落[6]。弹丸粒径不断减小,直到被筛网筛除;6000-7000次磨损为加速磨损阶段,钛丝切丸内部微裂纹拓展到表面,表层脱落带来的质量损失加快;7000-9500次磨损为剧烈磨损阶段,块状脱落的现象大量出现。

2.2 面积法测欧文寿命

  用面积法测量钛丝切丸的欧文寿命,首先计算图2中曲线包围部分面积的总和,再除以试样的原始质量(50g),测得钛丝切丸欧文寿命为5199次。

2.3 抛打钛板

  用钛丝切丸抛打钛板,经60次抛打后钛板表面覆盖率可达100%,且表面光洁、无杂质附着。钛板表面粗糙度值为2.9μm(Ra)。

3. 结论

  钛丝切丸组织均匀致密,磨损过程稳定,耐用寿命长,不易破碎,可用做抛喷丸强化与清理磨料,抛打后钛板表面非常光洁,钛丝切丸完全没有磁性,可用于磁场环境等特殊场合。结果表明:钛丝切丸硬度为374.8HV;ERVIN欧文循环寿命为5199次;磨损失效分为磨圆钝化、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段;抛打后钛试片可达100%覆盖率,清洁度等级评判为Sa3级。

参考文献

[1] Bai Y L. Adiabatic shear banding [J]. Res. Mechanics,1990,31:133.
[2] Ervin Industries.2002,The Ervin Test Machine.
[3] SAE J455APR05,Metallic shot and girt mechanical testing (2005).
[4] 赵新华,刘如伟,王宏伟,等等.钢材表面除锈用高碳铸钢丸的磨损失效分析[J].材料保护,2009,42(9):7-9.
[5] 高洪举,刘如伟,赵新华,等等.铸件抛丸清理用钢丝切丸欧文寿命测定及磨损失效分析[J].铸造技术2008,12(29):1674-1676.
[6] 石小云,刘如伟,刘超等,喷丸强化用钢丝切丸的磨损失效机理[J].机械工程材料,2016,11:67-70.



朱文龙、刘如伟、孙洪聪
山东大学 材料科学与工程学院,济南250061

张守全、王健、张嘎
山东开泰集团有限公司,山东 邹平256217

联系人:刘如伟
邮箱:shotgrit@163.com


 
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