喷丸工艺对采煤机行走轮材料残余应力和硬度分布的影响

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 ◼引言
喷丸强化技术是利用大量高速运动的弹丸撞击金属材料的表面，使其表面发生弹塑性变形，进而产生残余应力场，从而提高材料的疲劳特性，这是一种十分有效且适用范围广泛的表面处理技术[1]。

大量的弹丸以特定的速度和角度撞击零件的表面，零件表面在充分吸收弹丸的能量之后，发生一系列的弹性和塑性变形。

弹丸撞击材料表面时，材料表面的金属围绕弹坑向四周延展，当延展超过材料的屈服极限时，便发生塑性变形，在材料表层产生残余压应力
[2-3]。

当大量的弹丸重复、长时间地
撞击零件的表面，零件的表面不断发生弹塑性变形，从而在零件的表面形成残余应力场合形变层。

形变层内发生晶粒细化、出现亚晶、显微畸变增大和位错增殖等 组织结构的变化，使组织得到强化[4]。

如图1所示。

采煤机行走轮机构是采煤机牵引部的执行机构，它起到支承采煤机的总重的作用和运输机的销排啮合使采
煤机行走的作用。

行走轮一旦出现故障将致使采煤机停止工作，18Cr2Ni4WA 钢是制造采煤机行走轮的材料，其疲劳强度和疲劳寿命对采煤机行走轮的使用寿命和采煤效率影响很大[5]。

 ◼1 行走轮试样制备和试验方法
本文采用的材料是采煤机行走轮常用的合金钢材料
作者简介：卢运鹏，硕士，助理研究员，主要从事采煤机设计开发。

喷丸工艺对采煤机行走轮材料残余应力 
和硬度分布的影响
"卢运鹏
1,2
（1.中煤科工集团上海有限公司，上海 200030；2.天地上海采掘装备科技有限公司，上海 201400）
摘要：文章以采煤机行走轮材料18Cr2Ni4WA 钢为样本，研究了喷丸工艺参数对采煤机行走轮材
料残余应力和硬度分布的影响规律，喷丸强化能够极大地提高行走轮材料的残余压应力，促使残余奥氏体向马氏体发生转变，增加材料的显微硬度，为喷丸工艺可以延长采煤机行走轮的使用寿命提供了实验依据。

关键词：喷丸工艺；行走轮；残余应力；硬度
图1 喷丸强化机制
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18Cr2Ni4WA ，材料做成50 mm ×25 mm ×15 mm 的长方体试样，在喷丸处理前进行渗碳淬火处理，其前期处理后的效果如下：硬化层深度2.1～2.5 mm ；表面硬度56～62 HR 。

实验方法包括对采煤机行走轮试样进行不同强度的喷丸强化处理以及残余应力、显微硬度的测量。

利用气压式喷丸机，对实验所提供的试块进行喷丸强化实验，该实验选取的是不同直径的钢丝切丸，其硬度大约为61HRC 。

本实验设计了5种不同参数下的喷丸工艺，具体的参数见表1，不同工艺参数的喷丸试块如图2所示，工艺参数主要包括弹丸的速度、弹丸的直径、覆盖率以及弹丸的入射角度。

表1 行走轮试块喷丸参数试样编号
速度（m/s）
直径（φ/mm）
喷丸角度（°）
喷丸强度（f a /mm）
1800.6750.35
2900.6750.41
31000.8750.41
41100.8750.56
5120
0.8750.70
图2 不同工艺参数的喷丸试块
 ◼2 行走轮试样残余应力和显微硬度的
测量
2.1 残余应力的分布
喷丸强化工艺可以在表层形成残余应力场，表层残余应力能够有效的阻碍微裂纹的产生和扩展。

材料表面由喷丸形成的残余应力，能够促使材料的X 射线相应的峰位发生对应的偏移，利用X 射线和电化学剖层技术相结合的方式，可以准确地测量出不同工艺下材料表层和不同层深条件下的残余应力值。

原始的精加工表面未喷丸处理前存在较小的残余应力，沿着材料层深分布较浅，主要是材料的磨削加工和渗碳淬火所致。

由于机加工残余应力水平低，并且沿着
材料层深的分布很浅，对材料的表面性能不会产生明显
的影响。

喷丸强化处理以后，表层残余应力明显提高，层深也相应的增大，具体分布如图3所示。

图3 未喷丸面及5种喷丸工艺残余应力沿层深分布
对比喷丸工艺1到工艺5的结果可以发现，喷丸后材料表面残余压应力的大小随着喷丸工艺参数的变化而变化，弹丸速度、弹丸直径、覆盖率和喷丸强度的大小均对
残余应力的大小有着重大的影响，其中，随着弹丸喷射速
度的增加，喷丸表面的残余压应力是逐渐增大的，这是因为高速的弹丸具有较大的能量。

随着覆盖率和喷丸强度的增加，残余压应力也是增大的，弹丸直径对喷丸残余应力的影响是不规则的，这是因为弹丸半径过大时，能量过大，材料表面发生严重的塑性变形并形成残余拉应力，这对喷丸强化作用产生不利的影响，同时过大的弹丸也会引起材料表面粗糙度的变化。

喷丸后材料的最大残余压应力并非出现在材料的表面，而是出现在一定的层深下，不同喷丸工艺参数下最大残余应力的层深的深度区别不大。

2.2 喷丸层显微硬度及其分布
采煤机行走轮的材料硬度受多种因素的影响，是材料的一个综合属性，在本文中，硬度会受到喷丸残余应力、马氏体相变和喷丸形变细化组织的影响。

通过研究发现，喷丸表面的残余应力越大，马氏体相变和形变细化组织越明显，对材料表面残余应力的影响就越大，可
以有效地提高表面强化的效果。

进而明显地提高行走轮的疲劳强度和延长其寿命以及提高零部件的耐磨损性能。

在实验过程中，通过显微硬度测量仪，分析不同喷丸工艺下材料表面显微硬度的分布，结果见图4和图5。

材料的显微硬度受多种因素的影响，其中喷丸残余应力以及残余奥氏体向马氏体的转变都会对材料显微硬度产生影响。

材料表面残余应力越大，残余奥氏体转变越充分，材料显微硬度就越高，这样喷丸强化效果就越明显。

材料表面显微硬度的提高，对材料疲劳强度和寿命，以及零件耐磨性的提高，均具有较大的影响。

对比喷丸工艺1到工艺5以及未喷丸工艺可以发现，喷丸强化工艺可以较大地增加材料的显微硬度，不过喷丸工艺参数的变化对材料显微硬度变化的影响不是很显著，这是由于在测量材料显微硬度时，所使用的显微硬度测量仪的精度不高，而且测量的时候需要人工的产生电化学腐蚀作用和施加测量的载荷，这对测量的精度产生极大的影响，这样测量出来的结果并不能充分说明喷丸工艺参数对材料显微硬度有何具体的影响。

 ◼3 结论
通过对采煤机行走轮材料进行喷丸强化实验，可以得出喷丸残余应力和显微硬度随喷丸强化工艺的不同而变化的规律以及其沿层深分布的规律。

可以得出以下结论：喷丸强化工艺可以显著提高工件残余应力，促进残余奥氏体向稳定的马氏体发生相变，显著改善材料的显微硬度。

参考文献
[1] 金荣植.齿轮表面的喷丸强化技术[J].金属加工（热工），
2011（17）：12-16.
[2] LIANG J，WANG K Y，GUO S M，et al. Influence of
electrolytic plasma process on corrosion property of peened 304 austenitic stainless steel[J]. Materials Letters，2011，65：510–513.
[3] 田亚媛，瞿皎，秦亮，等.齿轮表面强化技术研究现状[J]. 热
加工工艺，2011（24）：211-215.
[4] 王仁智. 金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述[J]. 中国
表面工程，2012（6）：1-9.
[5] 魏升，周常飞，汪崇建.
采煤机行走轮疲劳寿命仿真分析[J].
机械传动，2014，38（1）：112-114.
图4 未喷丸面及喷丸工艺①及②的显微硬度沿层深分布图5 喷丸工艺③至⑤的显微硬度沿层深分布
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