船用柴油机连杆的喷丸强化工艺及性能研究

2022-12-07张雷雷马玉亮张晓云

材料保护 2022年10期

张雷雷，马玉亮，张晓云，杨平，唐豪，焦凯

(陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713100)

0 前言

连杆作为柴油机八大件中的关重件之一，是衡量柴油机安全和寿命的重要指标。在柴油机的运行工作中，连杆两端分别与活塞和曲轴相连接，活塞的往复运动通过连杆传递到曲轴，从而使曲轴转动输出动力；在运动过程中，连杆与曲轴、活塞之间会产生复杂的内应力，除受周期性的拉、压应力外，还受一定的弯曲应力；通常，连杆的失效形式主要为疲劳断裂[1，2]，在生产上为了防止此类现象的发生，往往需要对连杆进行喷丸处理，来提高其疲劳强度和使用寿命。

刘保权等[3]实验研究了40MnV非调质钢连杆锻后空冷和正火2种工艺对连杆疲劳性能的影响规律，结果表明：锻后空冷可以延长连杆的疲劳寿命。李启鹏等[4]利用激光对连杆进行了冲击强化，研究了它的疲劳寿命，研究表明：使用激光冲击强化后，连杆的疲劳寿命延长为原来的5.24倍，有效降低了连杆疲劳断裂的风险。

喷丸强化是用大量的金属、陶瓷或玻璃等丸粒来持续轰击材料表面，使材料表面发生塑性变形，塑性变形会使材料表层组织发生一定程度的晶粒细化，从而提高材料表面的强度和耐磨性，同时，塑性变形会给材料表层组织植入一定的压应力，表层压应力的存在能够有效地抑制和延缓裂纹的生长与扩展，从而延长材料的疲劳寿命。相对于其它强化技术，喷丸强化是一种成本低、效率高的表面强化手段，已广泛应用于船舶、航空、航天、汽车等工业领域[5，6]。

在工厂的生产加工过程中，喷丸工艺参数的选取多以试验和经验为主，生产效率低，随着弹丸类型、弹丸大小、喷丸强度等喷丸要求的改变，现有的喷丸工艺已经不能满足当下的生产需求。因此，本工作通过工艺实验，绘制出喷丸强度的饱和曲线，对现场工艺进行了优化，并对喷丸后的试样进行硬度、表面粗糙度和残余压应力测试，最后成功对某型号柴油机的连杆进行了喷丸处理，结果满足要求。

1 实验材料与方法

实验用基体材料为42CrMo4，热处理状态为调质状态，化学成分见表1，将基体材料切割成100 mm×20 mm×10 mm的小试样，清除表面异物后待用，弧高试片采用购买的标准Almen试片，弹丸材料选择φ0.58 mm的铸钢丸。实验用KXS-3000P型数控喷丸机，喷丸过程如图1所示，喷丸时，将一定量的弹丸以一定的角度、速度和压力向基体进行喷射，从而使基体表面产生一定的变形与压应力。

表1 42CrMo4钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 42CrMo4 steel(mass fraution)

在现有喷丸工艺的基础上，保持弹丸流量、压力、喷丸距离与喷丸角度不变，通过改变喷枪移速来测定不同喷丸速度下的Almen试片弧高值，进而计算出喷丸过程的饱和曲线及饱和强度，喷丸工艺参数见表2。

利用TSP-3型喷丸试片量规检测喷丸后Almen试片的弧高值，喷丸前后各测试同一Almen试片的弧高值，其差值即为喷丸后的弧高值，每种工艺下测量3个Almen试片，取其平均值。使用HVT-1000A型显微硬度计测试喷丸后试样的硬度，加载载荷0.98 N，停留时间10 s，沿深度方向从喷丸表面间隔0.05 mm进行硬度测试。使用ISR-C300粗糙度测试仪检测喷丸后试样表面的粗糙度。利用μ-360s型X射线衍射仪测试喷丸后试样沿深度方向的残余压应力，测试方法为COSα法，测试条件为Cr Kα射线，管电压30 kV，电流2 mA，衍射晶面(211)。

表2 喷丸工艺参数Table 2 Shot peening process parameters

2 结果与分析

2.1 Almen试片饱和曲线绘制

按表2所示的4种工艺参数对Almen试片进行喷丸处理，喷丸后使用弧高测试仪测试其弧高值，结果见表3。由表3可知，当喷丸时间从4 s增加到8 s时，Almen试片的弧高值明显变大，说明此时Almen试片还未达到喷丸饱和状态；当喷丸时间从16 s增加到32 s时，Almen试片的弧高值变化很小，说明此时已达到试片的饱和状态。

表3 Almen试片弧高测试值Table 3 Almen test piece arc height test value

以横坐标为喷丸时间，纵坐标为Almen试片弧高值，做出弧高值随喷丸时间变化的曲线并进行拟合，得到喷丸过程的饱和曲线，结果如图2所示。由Almen10%理论可知，当喷丸时间增加1倍，Almen试片弧高值增加少于10%，则达到饱和状态。因此，从图2可以得到，当喷丸时间t=12 s时，试片已经到达到饱和状态，此时的喷丸强度为0.38 mmA。为了满足覆盖率≥125%的技术要求，将喷丸时间适当增加，调整为t=14 s，调整后喷丸强度为0.39 mmA，覆盖率也满足要求。通过以上调整，得到喷丸的最佳工艺参数为：弹丸流量10 kg/min，距离120 mm，喷枪移速9 mm/s，喷丸时间14 s。

利用最佳喷丸工艺对试样进行喷丸处理，喷丸后进行硬度、粗糙度和残余压应力检测。

2.2 喷丸后硬度分析

利用上节得到的最佳喷丸工艺对试样进行喷丸处理，喷丸后使用维氏硬度计进行硬度检测，加载载荷0.98 N，停留时间10 s，沿深度方向从喷丸表面间隔0.05 mm进行硬度测试，同一位置测量3次，取其平均值，得到的硬度曲线如图3所示。

从喷丸后的硬度曲线可以看出，随着距表面距离的增加，硬度呈下降趋势，从最大408 HV逐渐降低到346 HV，最终在334 HV处趋于稳定，接近于未喷丸基体材料的硬度，即此处已超出喷丸硬化区域，已到达基体部分。因此，在最佳喷丸工艺下，喷丸硬化层深约为250 μm。喷丸后硬度的提升主要是由于材料表面发生塑性变形，晶粒得到细化，晶界增多，形成了一定的加工硬化区域，阻碍了位错的运动，相当于对材料进行了细晶强化，因而硬度有所提升[7]。表面硬度的提升可以提高材料的耐磨性，延长零件的使用寿命，对工件是有益的。

2.3 喷丸后粗糙度分析

使用粗糙度测量仪对喷丸前后试样表面的粗糙度进行测量，测量时选取3个试样分别在两端和中间3个位置进行粗糙度检测，每个位置测量3次，取平均值，测得的粗糙度数值如图4所示。喷丸后粗糙度的大小主要与弹丸直径、压力、喷丸距离、喷丸速度与时间等有关[8]，粗糙度过大会影响零件的使用效果和精度，甚至会使零件表面出现裂纹，因此选择合理的喷丸工艺显得尤为重要。由图4可知，未喷丸试样的表面粗糙度约为0.26 μm，在最佳喷丸工艺下，喷丸后试样表面的粗糙度最大值为2.68 μm，最小值为2.11 μm，粗糙度整体较小，符合技术要求，喷丸试样两端与中间的粗糙度差值也较小，说明喷丸的一致性较好，也反映出喷丸工艺较为合理。

2.4 喷丸后残余压应力分析

使用μ-360s型X射线应力测定仪对喷丸后的试样进行残余压应力检测，从表层向内部进行深度剥层测量，每层间隔16 μm，每层测量4个点取平均值，深度剥层采用电解腐蚀方法，电解腐蚀液为饱和的NaCl溶液，测得的残余压应力曲线如图5所示。由残余压应力曲线图可知，通过喷丸处理植入试样表面的残余压应力呈下降趋势，表面残余压应力最大，约为-554 MPa，随着距表面距离的增大，残余压应力逐渐减小，这是由于在喷丸过程中，携带一定能量的弹丸首先接触的是材料表面，与其发生碰撞，产生塑性变形，从而植入一定的压应力，随着弹丸对表面的持续撞击，植入试样表面的残余压应力逐渐积累，在慢慢变大的同时逐步向内部延伸，最终残余压应力表现出由表面向内部逐渐减小的现象。表面残余压应力的存在能够抵消工件运行时产生的部分拉应力，从而提高工件的疲劳强度，延长使用寿命。应力曲线下降整体较为平缓，且测得的应力数值误差相对较小，从侧面反映出喷丸效果较好。

2.5 连杆实物喷丸处理

使用上面得到的最佳工艺对某型号连杆大端孔进行喷丸处理，对喷丸后的连杆进行喷丸强度和覆盖率检测，结果均符合技术要求。改变工艺后，单件连杆的喷丸时间相对减少，效率有了明显提高。将喷丸后的连杆精加工后，装机并进行实验，在累计运行80 h后，各项性能均能达到指标，实验结束后将连杆拆下进行检测，结果表明，连杆大端孔表面完好，无磨损痕迹出现。