电子档案

BACK

文章


第 5 卷- 2017 年 9 月刊
抛喷丸清理用410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸的对比研究



图1.1:(a) 0.4mm 410材质不锈钢丝切丸 (b) 0.4mm 低碳钢丝切丸


表1-1:410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸主要成分与硬度


图2.1:铝合金试片经410材质不锈钢丝切丸抛打后表面形貌


图2.2:铝合金试片经低碳钢丝切丸抛打后表面形貌


图2.3:不锈钢试片经410材质不锈钢丝切丸抛打后表面形貌


图2.4:不锈钢试片经低碳钢丝切丸抛打后表面形貌


图2.5:铝合金试片经410材质不锈钢丝切丸 (左)、低碳钢丝切丸 (右) 抛打后三维轮廓图


图2.6:不锈钢试片经410材质不锈钢丝切丸 (左)、低碳钢丝切丸 (右) 抛打后三维轮廓图


图2.7:低碳钢丝切丸、不锈钢丝切丸循环次数与剩余质量的关系


图2.8:410材质不锈钢丝切丸不同循环次数下形貌 (a) 100次 (b) 4500次 (c) 7000次


图2.9:低碳钢丝切丸不同循环次数下形貌 (a) 100次 (b) 2000次 (c) 4500次

摘要:本文用欧文寿命试验机模拟0.4mm 410材质不锈钢丝切丸、低碳钢丝切丸对铝合金试片、不锈钢试片的抛喷丸清理过程,并测定其磨损过程及欧文循环寿命。结果表明:410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理能力更强;低碳钢丝切丸抛喷丸清理能力较弱;其磨损失效过程均可分为磨圆钝化、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段,410材质不锈钢丝切丸ERVIN欧文循环寿命为4413次,低碳钢丝切丸为2799次,410材质不锈钢丝切丸耐磨损性能与清理效率更高。关键词:不锈钢丝切丸;低碳钢丝切丸;磨损过程;抛喷丸清理

  近年来我国不锈钢、铝合金产业发展迅猛,工业产量持续增长[1~2],对于抛喷丸清理用不锈钢丝切丸的需求随之增加。低碳钢丝切丸外观与410材质不锈钢丝切丸相近,极易混淆,查阅大量资料,未发现有关二者使用性能的研究报道。本试验用山东开泰集团有限公司生产的规格为0.4mm的410材质不锈钢丝切丸与市场上使用的规格为0.4mm的低碳钢丝切丸作试样。用欧文寿命试验机模拟0.4mm 410材质不锈钢丝切丸、低碳钢丝切丸对铝合金试片、不锈钢试片的抛喷丸清理过程,并测定其磨损过程及欧文循环寿命。

1. 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

  试验用0.4mm 410材质不锈钢丝切丸和经过50次预钝化处理低碳钢丝切丸,试样形貌如图1.1,性能参数见表1-1。

1.2 试验方法

  抛喷丸清理试验:称取5g经200次钝化磨圆后的410材质不锈钢丝切丸,分别用尺寸为76mm×19mm×3mm(长×宽×厚)、硬度为100HV的2024铝合金试片及尺寸为76mm×18.5mm×2mm(长×宽×厚)、硬度为182HV的304不锈钢试片替换欧文寿命试验机[3]的靶材,分别进行抛打实验,每抛打一定次数后,对试片进行表面形貌扫描,并用电子天平称量试片质量的变化,直至试片覆盖率为100%。抛打完成后,用Wyko NT9300白光干涉仪[4]扫描试片表面轮廓,并用粗糙度测量仪测量试片表面粗糙度。低碳钢丝切丸重复上述试验步骤。
  磨损过程试验:称量410材质不锈钢丝切丸50g,并置于欧文循环寿命试验机中,进行试验。每500次抛打磨损后取出,用50#标准实验筛筛分试样,称量并记录筛上物质量,并用Epson V19扫描仪进行扫描,观察其形貌的变化。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 testin标准[5],用面积法[6~7]测量试样欧文循环寿命,并绘制循环次数与剩余质量曲线,以研究其磨损过程。低碳钢丝切丸重复上述试验步骤。

2. 试验结果

2.1 抛喷丸清理能力对比

2.1.1 对铝合金试片的清理

  抛打铝合金试片使其表面覆盖率达到100%,用410材质不锈钢丝切丸抛打须50次,试片表面粗糙度Ra值为9.89μm,Rz值为58.13μm;用低碳钢丝切丸抛打须90次,试片表面粗糙度Ra值为8.25μm,Rz值为49.09μm。通过观察不同次数抛打后铝合金试片的形貌变化,如图2.1、图2.2,发现低碳钢丝切丸与410材质不锈钢丝切丸都能够对铝合金试片起到很好的清理效果,清理后铝合金试片表面平整光亮,干净清洁。但相同抛打次数时,410材质不锈钢丝切丸抛打获得的表面覆盖率更高;获得相同表面覆盖率时410材质不锈钢丝切丸所用次数更少。结果表明:410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理效率更高,清理能力更强。

2.1.2 对不锈钢试片的清理

  抛打不锈钢试片使其表面覆盖率达到100%,用410材质不锈钢丝切丸抛打须80次,试片表面粗糙度Ra值为3.22μm,Rz值为19.98μm;通过观察不同次数抛打后不锈钢试片的形貌变化如图2.3、图2.4,用0.4mm低碳钢丝切丸抛打不锈钢试片,90次抛打后试片覆盖率接近100%,但随抛打次数增加,试片表面很难达到完全覆盖,最终试片表面粗糙值Ra值为2.49μm,Rz值为15.26μm。结果表明:410材质不锈钢丝切丸硬度比低碳钢丝切丸高,不锈钢丝切丸的清理效果更好。

2.1.3 白光干涉表面轮廓扫描

  用白光干涉仪对抛打后铝合金试片、不锈钢试片分别进行表面轮廓扫描,得到表面三维轮廓图。如图2.5、2.6可以直观的观察到抛打后试片表面局部的凹凸状况。与410材质不锈钢丝切丸相比,用低碳钢丝切丸抛打后试片表面形成的凹坑更浅,峰谷间最大起伏较小,表面粗糙度更低。结果表明碳钢丝切丸表面去除能力较弱,对于杂质、缺陷较深的表面是不利的,仅可用于硬度较低且较薄的板材、壳体或者精密件的表层清理中。

2.2 磨损过程分析

2.2.1 磨损阶段分析

  410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸的磨损过程均可分为四个阶段,钝化磨圆阶段、稳定磨损阶段、加速磨损阶段、剧烈磨损阶段,如图2.7、2.8和2.9。
  钝化磨圆阶段,此阶段圆柱状的丸粒在碰撞靶材时,边缘棱角等凸起由于碰撞时接触面小,所受压强加大,最容易变形。进过多次碰撞、形变后,边缘棱角都变形为多个小平面,丸粒逐渐变形为多面体球状。由于部分尖锐棱角在碰触中断裂以及少量粒度较小丸粒被筛网筛除,总体质量损失相对明显。此阶段410材质不锈钢丝切丸为0~300次,低碳钢丝切丸为0~200次。
  稳定磨损阶段,丸粒的主要变化为极缓慢的表层脱落[8]与表层加工硬化带来的位错积累,此外有极少量较小丸粒由于粒度逐渐减小被筛网筛除,总体质量损失很少。此阶段410材质不锈钢丝切丸为300~4000次,低碳钢丝切丸为200~2000次。
  加速磨损阶段,经过大量冲击磨损,丸粒内部位错等缺陷密度达到极限值。大多数丸粒表面都出现明显裂纹,部分丸粒表面裂纹延伸到心部,造成心部脱落甚至断裂,少数丸粒断裂后又被钝化,从母体断裂并脱落的部分尺寸较小,被筛网筛除,总体质量损失较上阶段有所增加但变化不大。此阶段410材质不锈钢丝切丸为4000~4500次,低碳钢丝切丸为2000~2500次。
  剧烈磨损阶段,丸粒大量破碎成小颗粒,有的颗粒尺寸大于筛网直径,继续磨损破裂,直到被全部筛网筛除,磨料已完全磨损失效。此阶段410材质不锈钢丝切丸为4500~7000次,低碳钢丝切丸为2500~4500次。
  结果表明:410材质不锈钢丝切丸的耐磨损性更好,各磨损阶段循环次数均长于低碳钢丝切丸,尤其是抛喷丸清理过程中最重要的的稳定磨损阶段,比低碳钢丝切丸循环次数高1倍左右。

2.2.2面积法测欧文循环寿命

  欧文循环寿命能够直接反应不同磨料实际使用寿命的长短,较长的使用寿命可以减少抛喷丸清理过程中磨料更换添加次数,提高工作效率;同时,较长的使用寿命可以更好的保证抛喷丸工艺的稳定性,对于确保表面粗糙度的稳定及表面的清洁具有重要意义。由图2.7欧文循环次数与剩余质量曲线可测得:
  不锈钢钢丝切丸欧文循环寿命=220646/50次=4413次
  低碳钢丝切丸欧文循环寿命=139927/50次=2799次
  结果表明:同质量、同规格情况下,410材质不锈钢丝切丸的欧文循环寿命是低碳钢丝切丸1.57倍。

3. 鉴别方法

  通过试验发现,410材质不锈钢丝切丸的抛喷丸清理能力、欧文循环寿命等方面均优于低碳钢丝切丸,但由于低碳钢丝切丸价格更低,因此市场上经常出现用低碳钢丝切丸冒充不锈钢丝切丸的情况。以下是两种鉴别方法,可以有效的鉴别低碳钢丝切丸与不锈钢丝切丸。
  方法一:取除少量样品放置于滤纸上,滴数滴10% CuSO4溶液,等待1分钟,颜色变黄或变黑,为低碳钢丝切丸;不改变颜色,为不锈钢丝切丸。
  方法二:取除少量样品放置于滤纸上,滴数滴5%硝酸酒精溶液,等待30秒,颜色变暗,为低碳钢丝切丸;仍保持光亮,为不锈钢丝切丸。

4. 试验结论

  由本试验可得出以下几个结论:
  1、在同等质量、相同规格大小情况下,对2024铝合金试片进行抛喷丸清理,达到100%覆盖率时410材质不锈钢丝切丸用50次,低碳钢丝切丸用90次;对304不锈钢试片进行抛喷丸清理,410材质不锈钢丝切丸用80次,低碳钢丝切丸90次后接近100%覆盖,但很难达到完全覆盖。表明410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理能力更强、抛喷丸清理效率更高。
  2、低碳钢丝切丸抛打后试片表面粗糙度低,轮廓起伏较小,形成凹坑很浅,仅能对表层极浅区域起到清理效果,无法对不锈钢试片等较硬工件表面的起到很好清理效果。且在相同抛打次数下,试片表面质量去除少,对于表面杂质缺陷等的实际去除效果较差。表明低碳钢丝切丸抛喷丸清理能力较弱。
  3、410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸的磨损过程均可分为钝化磨圆、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段,但每个阶段410材质不锈钢丝切丸持续时间更长;面积法测得410材质不锈钢丝切丸欧文循环寿命为4413次,远多于低碳钢丝切丸的2799次,表明其耐磨损性能更好。

参考文献

[1]林企曾,李成.迅速发展的中国不锈钢工业钢铁, 2006, 12(41).
[2]刘静安,铝加工.浅谈中国铝及铝合金材料产业现状与发展战略[J].铝加工. 2006(01)
[3] Ervin Industries.2002, The Ervin Test Machine.
[4]袁丽.白光干涉仪的可用性研究[D].华中科技大学.2013
[5] SAE J455A-2005, Metallic shot and girt mechanical testing (2005).
[6]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.
[7]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.
[8]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、李铭哲、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


 
  记住密码
忘记密码?
请输入您的 email :