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第 6 卷- 2018 年 6 月刊
具有先进喷丸功能的革命性新产品



微粒子弹丸


微粒子弹丸与陶瓷介质


微粒子弹丸与陶瓷介质


微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2介质


微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2介质


微粒子弹丸与陶瓷介质


微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2介质


微粒子弹丸与陶瓷介质


微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2介质
















微粒子弹丸

多年来,以极小的半径和圆角根半径、小螺旋弹簧等进行抛喷丸强化的抛喷丸强化介质中唯一可行的良好选择就是陶瓷介质。陶瓷介质确实有用,但绝对不是万能的。

陶瓷价格昂贵,破裂率高,从而产生了两个主要问题;一个是成本问题,另一个问题是介质破损时的锯齿状边缘这可能导致正在进行抛喷丸强化的基底上出现微裂。它虽然硬度高,但缺少金属弹丸的质量,必须使用更高的压力才能达到效果,因此更容易引起故障。

本文作者和一位业务同事Steve Carpenter就此进行了一段时间的讨论,最后确定在抛喷丸强化行业中确实需要一款更高级的产品。然后,他们写信给密歇根州一家知名的优质钢磨料制造商。制造商审查了所需的参数,包括:小颗粒尺寸,高质量,良好的球形度,高硬度,以及低故障停工率。

微粒子弹丸

最终制造出一款符合这些参数的产品,微粒子弹丸。微粒子弹丸是一种高合金(铁、硼和硅)弹丸,通过在受控气体中进行离心雾化来快速固化,从而保证了高水平的球形度,正如所有抛喷丸强化从业者所知,这对于高质量的喷丸强化效果而言至关重要。硬度为+65HRC,尺寸分布为45μ(0.002”)至150μ(0.006”)。由于尺寸的原因,硬度有助于抵消较小的质量,并改变弹丸碰撞的弹性,更有利于微粒子弹丸到达正在进行抛喷丸强化的基底。现在这是一种兼具硬度、质量、球形度和使用寿命的产品。此外,其合金属性使其具有无腐蚀性,并且尚未见到零件出现任何锈蚀变色。

测试结果

进行测试的目的是检查耐久性并与其他介质比较,执行XRD以测量压缩深度的残余应力测量曲线,比较介质,同时比较相同压力下微粒子弹丸和陶瓷弹丸介质的饱和曲线。

耐久性

通过将介质推向钢靶板完成测试。不进行任何补给,但在1小时后移除粉末。执行测试以比较微粒子弹丸与弹丸介质(高性能微粒子弹丸),一种外国产微粒子弹丸铁介质(高性能MS 1)和一种优质碳钢弹丸S-70(高性能MS 2)。相关结果如下图所示。

可以看出,1小时后,微粒子弹丸几乎没有损失,陶瓷弹丸介质损失了20%。6小时后,微粒子弹丸损失1%,陶瓷弹丸介质损失98%。最终结果是微粒子弹丸的持久性比陶瓷长70倍。这相当于在材料上节省了大量成本,并且避免了介质压裂造成锯齿状边缘的缺陷。

从这里可以看出,微粒子弹丸比其他两种含铁磨料更耐用。这里有趣的是外国产微粒子弹丸破裂的加速方式,这表明内部应力的积聚超过了开裂前材料的内聚力。

XRD-残余应力测量曲线

在评估测试期间,多次使用XRD-应力测量曲线。此处显示的两组数据包含所有相关数据和重要数据。其中一条曲线显示微粒子弹丸与陶瓷弹丸介质,另一条显示微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2。

您会注意到在第一幅图表(微粒子弹丸与陶瓷弹丸介质)中,气压仅为40psi。这是为了防止陶瓷介质出现过早的破裂。您将发现,在0.001”深度处,陶瓷的压缩应力水平开始以高于微粒子弹丸的速度逐渐减小,直到压缩应力超过压缩点。此外,请注意,与陶瓷相比,微粒子喷丸的压缩深度多0.001”。如前所述,这种喷丸只使用40psi的空气压力,以避免陶瓷弹丸介质出现过早的破裂。在查看所有非陶瓷弹丸介质的下一项数据时,使用80psi的空气压力,所得的压缩深度和强度存在显著差异。

下图显示了微粒子弹丸和高性能MS 1与高性能MS 2的XRD数据。这些测试是在80psi下进行的,因此不存在过早破裂的问题。您将注意到,从表面上看,三者基本相同,但微粒子弹丸压缩得更深,而另外两种在0.002”深度处保持相对平坦。此时,三种介质的压缩全部开始减弱,但微粒子弹丸下降的坡度更缓慢,其压缩深度高出0.0005”。以100psi运行时的其他数据表现出更加显著的差异,但是MS 1出现破裂,这表明100psi对该产品而言过于强烈。

饱和曲线

接下来,对所有材料进行饱和曲线分析。同样,其中一条曲线显示微粒子弹丸与陶瓷弹丸介质,另一条显示微粒子弹丸与高性能MS 1和高性能MS 2。同样,陶瓷弹丸介质的测试仅在40psi下执行,而其他材料在80psi下执行。下图显示了比较数据。

有意思的是,在40psi下运行时,由于存在陶瓷破裂问题,使用E-Micro Shot可在大约7秒内达到约0.0035”A的饱和度,而使用陶瓷弹丸介质则需要约13秒才约0.003”A的饱和点。这再次证明了较高密度相较于陶瓷弹丸的益处。

运行金属介质的饱和度曲线时,使用较高的空气压力80psi。同样,这也是因为不存在像陶瓷一样介质破裂问题。这个数据有趣的是,结果再次符合硬度关系。微粒子弹丸的硬度为+65HRC,MS 1为+55HRC,MS 2为48-50HRC。微粒子弹丸在约6秒内达到约0.006”A的饱和度;MS 1在约9秒内达到约0.005”A的饱和度,而MS 2在约5秒内达到约0.0035”A的饱和度。这些数据明确地说明了介质硬度的关系,因为如前文所述,在质量大致相同的情况下,介质的硬度对介质冲击基底的弹性具有一定的影响。

而且,这些数据都指出了微粒子弹丸与陶瓷弹丸相比所呈现的优越性,以及在耐久性和能量转移方面较其他微粒子弹丸的优势所在,即它允许在抛喷丸强化过程中增加压缩深度和强度。需要注意的是,微粒子弹丸可以在无法使用传统喷丸介质的非常有限的领域内提供这些优势。

结果

在因尺寸问题而无法使用传统抛喷丸强化的关键区域,已经通过其中的疲劳应力点,对多种部件使用微粒子弹丸。这些部件大部分都是专有型部件,可共享的信息十分有限,但可以在对部件的专有和机密信息进行适当保护的前提下共享提高生命周期方面的好处。

钛部件在井下作业中经历多个弯曲周期。该部件需要至少持续100万次弯曲,但经过传统钢丸或陶瓷丸处理后也只有60万个周期,因此总是出现故障。

如图所示,故障总是发生在两端的小半径处。在使用微粒子弹丸处理这些半径之后,一致认为测试在110万次弯曲后才出现问题。

沿轴向向下驱动时遭受极端扭转载荷的井下支架在指定半径处发生早期疲劳失效。

与使用钢丸或陶瓷弹丸介质的传统抛喷丸强化技术相比,使用微粒子弹丸可使使用寿命提高4倍。

由于密封槽区域和薄壁的高度弯曲,导致密封圈过早失效。

与传统弹丸和陶瓷弹丸介质相比,使用寿命增加了2倍。

另一种联轴器在I.D.半径处经历过早的疲劳失效。该零件的直径是1.9”

在用微粒子喷丸处理后,与传统弹丸和陶瓷弹丸介质相比,使用寿命增加了4倍。

小弹簧始终是一个挑战。微粒子弹丸能够将这些弹簧的使用寿命提高+30%甚至更高,比传统弹丸或陶瓷弹丸高200%。这些弹簧的直径均为3/8”或更小。

总结

长期以来,人们一直需要一种可行的介质替代品来替代陶瓷弹丸对难以进入较小区域进行抛喷丸处理。随着微粒子弹丸的出现,现在很明显有一种可行性非常高的陶瓷介质替代品可用于对较小的关键区域进行喷丸处理。此外,在其他测试中,已发现微粒子弹丸在某些应用中可以替代传统的S-70和S-110。微粒子弹丸的最大强度可以达到0.010”A,且其表面处理得非常光滑,在某些情况下饱和前的覆盖率可达200%。此外,与使用某些传统铸钢丸粒尺寸以及陶瓷弹丸介质相比,使用微粒子弹丸的破裂率明显更低。我们用微粒子抛喷丸处理的其他金属有4340钢、P550非磁性不锈钢(产量为150-180 KSI),还有其他几种不锈钢合金和一些铝合金。其结果都是可以接受的。

微粒子弹丸不会占领整个抛喷丸市场,但对于本文讨论的应用来说,它绝对是目前抛喷丸强化的最佳选择。



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出版商注:
据称Dan Spinner已于2018年1月底逝世,
对此我们感到十分悲痛。


 
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