喷丸强化对25MoCr5钢渗碳齿轮组织及性能的影响
1、引言
喷丸强度通常采用弧高值法，即根据试片弧高值与同等条件下金属表面内应力间有对应关系这一原理来测定的。这个方法的不足之处是不能精确测量距表面50μm以内的内应力值。而对材料的疲劳寿命起决定性作用的恰恰是此表面层内的内应力值。我们采用RICH SEIFERT&Co公司的7轴衍射(7-Axes-Diffractometer)X射线应力分析仪，就喷丸参数对残余内应力的影响进行了研究，分析了喷丸对渗碳层硬度和显微组织的影响，初步探讨了喷丸后经低温回火使应力松弛所对应的残余应力场。
2、试验材料和方法
2.1、试验材料
试验采用上海汽车齿轮总厂生产的桑塔纳轿车变速箱一档从动齿，材料为25MoCr5钢，化学成分见表1。
2.2、热处理工艺及喷丸工艺
齿轮在上海汽车齿轮总厂的Aichelin多用炉中渗碳处理，碳势1%，温度900℃，淬火油温70℃(G油)，回火170℃，在叶轮式抛丸机(wheel labrator)上进行喷丸处理。
2.3、组织形貌、硬度及应力测定
在RICH SERFERT&Co公司的X射线应力分析仪上测定残余应力沿层深分布，显微硬度在AKASI MVK-E上测量，载荷砝码50g。每一深度测3次，取平均值。用日立S-500型扫描电镜和蔡氏NEOPHOT-21型光学显微镜进行显微组织分析。残留奥氏体量在理学电机(Rigaku)株式会社的转靶X射线衍射仪上测定。
3、试验结果及分析
3.1、喷丸参数对残余压应力的影响
改变喷丸时间，并保持喷丸速度为2900r/min，丸粒硬度为57HRC，所得应力值如图1所示。改变喷丸速度，并保持喷丸时间15s，丸粒硬度为57HRC，所得应力值如图2所示。
图1 残余应力随时间的变化规律
图2 残余应力随转速的变化规律
由图1看出，随着喷丸时间的增加，距试样表层5μm、25μm、50μm处的残余压应力都逐渐增加，在10s以后，25μm深处的残余应力的递增速度超过5μm处。正是因为，随着喷丸时间的延长，残余应力由表层向材料内部逐渐渗透，但表层的组织在喷丸的作用下遭到了一定的损坏，粗糙度增加，可能产生微小裂纹使残余应力值有所降低。由图2看出，随着钢丸转速增加，残余应力值也随之增加。但当转速超过3000r/min，距表层5μm处的残余应力值有所下降。这是因为，钢丸转速增加，喷丸作用增大，残余应力值上升明显，但超过一定喷丸强度后，表层组织遭到破坏，产生微小裂纹，使残余应力值下降。由图1、2可看出，在喷丸过程中，过度喷丸对表层有损害作用，因此选择喷丸参数时，既要考虑到残余应力要达到一定的数值，又要防止过度喷丸。
3.2、喷丸对渗碳层硬度的影响
对喷丸前后的显微硬度的分布进行测试，其结果见图3。
由图3曲线可以看出，喷丸件表层显微硬度明显提高，心部组织硬度基本相同。硬度发生变化区域均为距表面0.1mm范围以内，最大变化区域在距表面0.1mm附近，表层的硬度显著提高是受到高的残余压应力、加工硬化和组织变化综合作用的结果，其中残留奥氏体的显著减少对硬度提高也作出了贡献。
3.3、喷丸对渗碳表层内显微组织的影响
用扫描电子显微镜对未喷丸和喷丸(转速为2900r/min)的样品进行分析观察，试验结果见图4。
图4 喷丸对渗层组织的影响
(a)未喷丸(b)经喷丸
试验观察发现，未喷丸的马氏体片间保留有较多的残留奥氏体组织如图4a;喷丸后如图4b，马氏体的微观亚结构被细化，残留奥氏体诱发转变为马氏体，该马氏体针非常细小。喷丸细化了金属表面的微观亚结构，使金属表面位错密度增加，亚晶细化，晶格畸变加剧。用光学显微摄影仪对未喷丸和喷丸的样品进行分析观察，试验结果见图5。
图5 渗层光学显微组织 x400
(a)未喷丸(b)喷丸
试验观察发现，未喷丸试样的残留奥氏体(白色)较喷丸后的残留奥氏体含量多。因为喷丸使试样中的残留奥氏体转变为马氏体，用来提高表面硬度。就表层组织来看，喷丸后的马氏体针明显较未喷丸试样细小致密，这也进一步说明喷丸起到了细化马氏体亚结构的作用。
用X射线衍射仪对未喷丸和经喷丸(转速为2900r/min)的样品进行分析观察，试验结果见图5。从图6中可以看出，喷丸前残留奥氏体的衍射峰在衍射后基本上消失了，说明喷丸能有效地使残留奥氏体转变为马氏体，有利于残余压应力的提高，从而提高齿轮的寿命。
图6 试样的X射线衍射图
(a)未喷丸样品(b)喷丸样品
4、残余应力场的松弛
为了研究喷丸残余应力场的稳定性问题，对两组上海汽车齿轮总厂生产的桑塔纳轿车变速箱一档从动齿试样分别进行了两种处理：一种处理为喷丸强化(3000r/min，15s，57HRC);另一种处理为喷丸强化X应力松弛低温回火。
在RICH SERFERT&Co公司生产的7-Axes-Diffractometer X射线应力分析仪上测定距表面25μm处的残余应力。
喷丸引入的表层残余压应力场在其后的疲劳加载过程中会发生松弛，如图7所示。在疲劳加载初期，喷丸残余应力场会发生急剧的松弛，而在疲劳加载后期，残余应力场的松弛很缓慢，松弛量也很小，并逐渐趋于稳定态。
图7 残余应力场的松弛
残余应力的迅速松弛是工件服役加载后表层材料剧烈塑性变形的结果。在疲劳加载初期，试样表层的位错密度迅速降低，一方面是由于在外载作用下一部分异号位错在运动中相互抵消;另一方面是由于晶体的大量滑移使位错首先在晶界等障碍物前塞积。当该处的应力达到断裂应力时，随即在塞积处形成一定数量的微裂纹，应力场被松弛，使工件表层造成损伤。而在随后的疲劳循环中，疲劳裂纹在上述各损伤处优先形核，这就必然会降低疲劳裂纹的萌生寿命。一旦其中某一裂纹扩展至一定长度并形成主裂纹时，其他微裂纹会因应力松弛而停止扩展。因此，残余应力的静载松弛是一种损伤性松弛[1]。如果能使喷丸强化效果下的静态残余应力场在疲劳加载前就预先非损伤性松弛到稳态应力场，则可避免残余应力场在疲劳加载初期的静载松弛，最大限度地提高工件的疲劳寿命。因此，在喷丸后又进行了一组应力松弛低温回火试验，来获得稳定的应力场。
回火温度对残余应力的影响如图8所示。试样在不同温度下回火，应力场发生不同程度的松弛。回火温度越高，松弛量越大。一定温度以后，松弛量趋于平衡，具有良好的稳定性。
图8 残余应力场的低温回火松弛
综上所述，疲劳加载和低温回火都可以使喷丸后产生的应力场得到松弛，但是后者通过加热使形变材料的组织结构发生回复，不会给材料带来损伤。低温回火后的喷丸齿轮在疲劳寿命上有所提高。
5、结论
(1)喷丸强化可显著提高渗碳齿轮表面的残余压应力，从而提高齿轮的疲劳寿命。但要对喷丸参数进行合理的选择，防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。
(2)喷丸使渗碳表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明显。喷丸造成的表面硬度增加是由于表层组织形变强化及残余压应力值增大的综合结果。
(3)喷丸能够使试样表层的组织强化，即残留奥氏体发生诱发马氏体转变，并且能够细化马氏体的亚结构。
(4)低温回火可以使喷丸后产生的应力场得到松弛，有效地避免了残余应力的静载松弛对材料带来的损伤。
参考文献：
[1] 王仁智，李向斌，吴亨 喷丸残余压应力场在疲劳加载初期的松弛损伤[J]航空学报，1985，6(3)：250
