第十六期 碳钢丸的特性
发布时间:2017/4/25 11:59:58

引 言                                                                                                        

    大多数的喷丸所用的丸料都是碳钢丸。碳钢丸是通过铸造的方法形成近似球形的形状(即铸钢丸)或通过把钢丝切段然后磨圆的方法得到可接受的球形(即钢切丸)。最终碳钢丸料的内部强度较高,表面的氧化铁皮较脆,如图1所示(表层氧化铁皮的厚度特意增大了)。

 

图1球形铸钢丸颗粒的截面图


    铸钢丸和钢切丸都分为“常规硬度”和“高硬度”两个等级。表1概述了规范AMS 2431中的一些要求。从表1中可以看出,铸钢丸的平均碳含量要比钢切丸高出50%。

    在制造过程中,碳钢丸的数量是相当多的。其数量的刻度是非常大的,因此计算需要“取整数”。一个含有10立方米钢水的钢水包可以在一次浇注的过程中形成丸料。1立方米钢铁的质量为7。8吨。如果一粒丸料的平均质量是1毫克的话,那么几分钟之内就可以制造出780亿个丸粒了。如果钢丝的平均截面积是1平方毫米的话,那么10立方米钢丝的长度为10000千米。如果把这些钢丝切成1mm的长度那么需要切100亿次。

    碳钢丸的性能包括硬度、形状、尺寸、韧性、抗磨损和低成本等各个方面。本篇文章主要介绍能够实现以上所需性能的一些因素。

表1 铸钢丸的要求



脆性氧化铁皮

    碳钢中的铁在空气中会发生氧化。铁和氧结合就会形成氧化铁。氧化铁是一种易碎的、类似陶瓷的材料,在撞击中非常容易破碎。钢丸撞击零件后其表面的氧化皮会破碎成无数个细小的氧化物颗粒,这样就在喷丸设备中形成大气尘埃。当丸粒表层破碎后,丸粒表面又会迅速氧化。那么实际结果就是(a)丸粒质量的减少是不可避免的,(b)产生的氧化铁颗粒粉尘会产生爆炸。

 

图2。 铸钢丸颗粒的截面图显示表层氧化物中的化学成分

    图2表示了一个碳钢丸的表层情况。丸粒表层的氧化铁具有不同的化学成分-FexOy。其中y和x的比值从内部的1连续变化到表面的1.5。比值为1时为FeO,比值为1.33时为Fe3O4,比值为1.5时为Fe2O3

    当丸料在空气气氛的炉子中加热时,其表面的氧化层会越来越厚。机理就是铁原子往丸料/氧化物界面方向扩散而氧原子从相反的方向扩散。因此氧化层额外部是氧饱和而内部是铁饱和。通过控制炉子中的气氛可以使氧化层的增厚的速度减少甚至变薄。破碎的氧化铁颗粒是非常微小的,所以其面积与体积比是相当大的。例如,一个立方厘米的颗粒其表面积为10平方米。每个颗粒表面不同区域的分布着饱和Fe2O3到纯铁不等。氧化层的定义就是和丸粒内部成分是化学结合的方式存在,所以最终的破碎颗粒是从氧化层分离出来的细小颗粒。由于大多数的微小颗粒并未氧化充分,因此为了达到化学稳定会进一步发生氧化。进一步的氧化过程会放出热量,这有可能导致喷丸设备中的粉尘发生爆炸。

碳钢丸的高温组织

    如果把碳钢加热到一个合适的高温,那么其内部组织会转化为奥氏体。碳原子可以自由地在铁原子的面心立方结构中移动。碳原子可以从丸粒的表面移出(脱碳)也可以移入(渗碳),这取决于周围的气氛环境。在丸粒的内部,碳原子可以随机地在铁原子之间的空隙中分布,可以完全自由地在空隙之间移动。要得到预期的组织,最关键的就是要选取合适的碳含量和合适的温度。图3显示了温度、碳含量和组织之间的关系。

 

图3 铸钢丸奥氏体化的图示

    对于0。8%碳含量的碳钢,组织奥氏体化的最低温度约为730℃。这就是所谓的低共熔点。碳钢碳含量低于或高于0。8%的奥氏体化温度都要高于730℃。低碳含量钢称为亚共析,高碳含量钢称为过共析。次要金属元素含量的变化对奥氏体化的关键数据730℃和0。8%碳含量的影响很小。如图3所示,碳钢切丸的奥氏体化温度从780℃到870℃不等,具体温度取决于碳含量。铸钢丸的奥氏体化温度从780℃到900℃不等,同样地,具体温度也取决于碳含量。奥氏体化的温度不应过多地超过温度下限,因为可以避免奥氏体晶粒的粗化(这可以导致最终的性能下降)。

    奥氏体化在碳钢丸的制造过程中是一个重要环节。铸钢丸只需一次奥氏体化。在淬火硬化和随后的回火前,淬火状态的丸料通常需要奥氏体化。用于制造钢切丸的钢丝则需要几次奥氏体化。钢水可以持续地浇注成横截面积大约为10000mm2的圆形棒材。然后棒材以热轧的方式进行多重缩减,直到其横截面积为100mm2左右。这也意味着棒材的伸长率达到了10000%,要达到这么高的伸长率就需要在每次热轧后进行奥氏体自退火。热轧后的棒材随后通过冷拔的工艺达到所需的直径。经过多次冷拔后,横截面积为100mm2的棒材可以拉长至横截面积为1 mm2,在这个过程中棒材的伸长率又为10000%,而且又经过了奥氏体化的过程。在冷拔的过程中必须进行几次奥氏体化的目的就是要保持棒材的延展性。

    通过上述的论述可知,接近于共析温度下的碳钢更适合转化为丸料。为了奥氏体化,在碳钢的重复加热过程中需要较低的温度。加热达到的较低温度比较高温度更快且成本更低。另外一个好处就是在较低奥氏体化的温度下,丸料表面的氧化程度可以降低,因此氧化层的厚度可以控制在最小化。


碳钢丸的低温组织

    在高温下铁和碳原子合适的结合就成为了奥氏体。在低温下,碳原子被迫冷却,随后形成的组织形式取决于从奥氏体状态下冷却的速率。


缓慢地冷却    

    如果奥氏体冷却的速度相对缓慢,那么就留给碳原子足够的时间进行迁移,极端的例子就是完全分离出去。然后大多数的铁原子就自己形成了铁素体,即纯铁的体心立方结构。剩余的铁原子就和碳原子形成了高度受约束的结构,即每一个碳原子结合三个铁原子。这种三比一的比率形成了化学表达式Fe3C,一种类似陶瓷的脆性物体即所谓的渗碳体。渗碳体层和铁素体层的交替混合就形成了珠光体的结构,如图4所示。珠光体是由较软易延展的铁素体和较硬易脆的渗碳体混合而成。作为一种结合体,这种结构具有充分的延展性可以支持钢丝制作过程中的大量冷作加工。

 

图4 珠光体的图示


    缓慢冷却的碳钢的微观组织取决于碳的含量,图5表示了它们之间的关系。对于亚共析钢和钢切丸,缓慢冷却的组织由具有较软铁素体的珠光体组成,其中铁素体的含量随着碳含量的减少而增加。对于过共析钢和铸钢丸,缓慢冷却的组织由具有脆性初生渗碳体的珠光体组成,其中脆性初生渗碳体的含量随着碳含量的增加而增加。幸运的是,铸钢丸在其制造的任何环节都不需要缓慢冷却。

 

图5 缓慢冷却的碳钢组织的图示

快速地冷却

    如果奥氏体的冷却速度很快,那么对于碳原子来说就没有足够的时间在晶格之中迁移,就无法形成珠光体或渗碳体。

    在远低于730℃临界温度(如图3所示)下进行淬火后组织结构会发生非常大的变化。在室温下,奥氏体碳钢内部拥有非常大的能量,可以“爆炸”成马氏体。针状的马氏体会在每个奥氏体晶粒中的任何二十四个方向中任意一个方向以声音的速度成核,然后繁殖。随着针状马氏体互相挤压以及咬合,巨大的微观应力就会形成。受限制的马氏体组织难以变形,因此就形成了高硬度。相应的脆性可以通过回火的工序减小。在几百摄氏度的温度下,非常有限的碳原子可以迁移至更为舒适的位置,相应的微观应力也会得到减小。最终得到的组织就称为回火马氏体。回火增加了材料的韧性和可变形性。

    马氏体的晶体结构和铁素体的体心立方结构几乎相同。立方结构的三个边缘的长度相同。在淬火状态的奥氏体中,碳原子只能朝三个边缘中的一个做“摇摆”的运动,如图6所示,同时,面心立方的奥氏体转变成了由铁原子构成的体心立方的结构。碳原子比铁原子要小,但是它们仍然要分离出去以找到比较合适的空间。这种晶体结构称之为体心四方结构。因为碳原子仅在三个方向中的一个方向把铁原子推离出去,因此其中的一个边c相较于另外两个边a变大。

    在四方结构中,c和a的比率会随着碳含量的增加而增加,如图7所示。当材料的四方形增加时,那么硬度也相应地增加。

 

图6 钢铁中扭曲排列的碳原子

 

图7 马氏体的四方性随着碳含量的增加而增加


快速冷却至回火温度

    把淬火奥氏体状态的碳钢经过熔铅或熔盐处理后会生成一种介于马氏体和珠光体之间的组织,即所谓的贝氏体。大量的碳原子迁移之后,渗碳体的微小颗粒会在铁素体的矩阵中形成。在切段之前,把淬火状态的奥氏体钢丝进行熔铅工艺已经成为了钢切丸制造的最主要的工序。图8说明了传统的“冷淬火”和“热淬火”之间的差异。

 

图8 通过冷淬或淬火的方法进行奥氏体转变


冷作加工

    碳钢的冷作加工可以增加其硬度,当同时也降低了其延展性。当冷作软化导致硬度开始下降之前,硬度达到了最大值。在使用之前,铸钢丸没有冷作加工。然而,钢切丸在拉拔和钝化的制作过程中已经受到了相当多的冷作加工作用。在钢丝拉拔的间隙需要对钢丝进行处理以保持其延展性。在把钢丝切成圆柱体的过程中在其剪切的表面会存在大量的塑性变形。这会导致局部的冷作硬化以及相变。

    在一些规范中会要求丸料有两个硬度等级。高硬度的钢切丸可以通过控制碳含量、冷作硬化和热处理的方式得到。而铸钢丸的硬度可以通过控制碳含量和回火温度的方式得到。

丸料形状

    当把钢水喷成雾状时,可以得到一种近似球形的形状。球形具有最小的面积和体积的比率。因此,如果液滴是球形的时候,那么球形液滴的表面能是最小的。

    把钢丝切段后的圆柱体变成球体的过程要更为复杂。钝化就是把圆柱体的颗粒转变为近似球体。在把钢丝切段后的颗粒喷向坚硬物体时,塑性变形和侵蚀的联合作用会导致其形状发生变化。

    规范SAE J441要求制造钢切丸的钢丝的直径要和钢切丸的尺寸一致。例如,制造型号为SCW/CW-41钢切丸的钢丝直径应该为0.041英寸。0.041英寸相当于1.0mm。如果一个1mm直径和1mm长的圆柱体只通过塑性变形的方式转变为球体,那么球体的直径为1.144mm。这个形状转变的过程如图9所示。

图9 从圆柱体到球形的形状变化


    在实际情况中,钢切丸的钝化主要受到塑性变形的作用,但同时也会受到轻微的腐蚀作用。随着钝化程度的增加,以上两种作用都会随着钝化的过程而增加。目前可以把钝化后的等级分为钝化的、双倍钝化的和球形钝化的三个等级。随着钢切丸的形状接近于球形,形状变化带来的塑性变形和侵蚀的作用会越来越大。两种作用的占比将在一定程度上受到钢切丸的冶金性能的影响。侵蚀的作用可以在钝化的每个阶段对同样数量的钢丸颗粒称重得到。从经验上来讲,对于钝化的钢切丸其质量损失约为1~2%,对于双倍钝化的钢切丸为2~3%,对于球形钝化的钢切丸为3~5%。


铸钢丸和钢切丸的尺寸分布

    在理想情况下,钢丝可以切成相同的圆柱体,每个圆柱体经过相同的钝化后得到的尺寸也是相同的。但在实际情况下,对于一批钢切丸,其尺寸会存在一个正态分布。然而钢切丸的正态分布通常较小,因此绝大多数的钢切丸都具有相似的尺寸。铸钢丸尺寸的变化性在上一期的文章中已经介绍了。一批铸钢丸的尺寸分布和正态分布相似。但是随后的筛分工序会把铸钢丸分为不同的尺寸等级。在一种给定型号的铸钢丸中,其尺寸分布近似于线型。


新丸料

     和铸钢丸的尺寸变化性较大相比,钢切丸的尺寸相对一致,这也是通常所说的钢切丸的一大优势。图10采用图示的方式说明了新的钢切丸和新的铸钢丸之间尺寸分布的差异。

 

图10 铸钢丸和钢切丸尺寸分布的差异

如图10所示,铸钢丸是均匀线性的尺寸分布。但在实际情况下,会存在一些正的或负的斜率的曲线。


使用后的丸料

    一旦丸料打击零件后,其质量一定会有所降低。因此尺寸分布也会发生变化。在实际生产过程中,通常会定期地往设备里面补充新的丸料以补偿丸料磨损和破损带来的质量损失。这种补充会改变丸料的尺寸分布。

    举一个简单的模型为例,一批丸料由于磨损的原因损失了10%的尺寸,之后加入10%的新丸料。我们现在就得到了一个双峰的丸料尺寸分布图形,如图11所示。这是使用后的丸料尺寸的正态分布(平均尺寸为0.9)和新丸料的正态分布(平均尺寸为1.0)的叠加。

 

图11 新的钢切丸和新旧混合的钢切丸的尺寸分布


    如果持续地添加新的钢切丸将会产生分布更广的、多峰的尺寸分布。如果其它的喷丸参数没有发生变化,那么这种复合的钢切丸将会逐渐地产生更高的覆盖率和更低的喷丸强度。

    对于一批设备中的铸钢丸来说,磨损和破碎将会带来相应的尺寸分布的变化。这种变化可以使用下面的非常简化的模型来说明。假设(a)一批铸钢丸具有一致的、线性的尺寸分布范围为最小尺寸0。8和最大尺寸1。2(任意单位),(b)有10%的尺寸损失并加入10%的新丸料予以补充。补充后丸料的尺寸分布会发生变化。尺寸较大的丸料部分(1。16~2。0)磨损了10%,所以这部分的概率仍为零。已经磨损的丸料部分会取代接下来的最大部分,反过来也会替代较小尺寸的部分。图12给出了在尺寸为1。16和0。8之间的均匀线性分布的丸料磨损后最终结果。原始尺寸在0。8以上的丸料假设磨损后低于0。8,可以通过筛分的方法分离出去。

    对于如图12所示的理论模型,新的铸钢丸的平均尺寸为1.0,10%磨损后(新钢丸添加前)降为0.98。仅仅只有2%的降低,这对于喷丸的覆盖率和喷丸强度的影响很小。添加10%新丸料后的尺寸分布如图13所示。可以发现尺寸分布不在均匀。添加新丸料后的混合丸料的平均尺寸为0.982,所以覆盖率和喷丸强度受到的影响也很小。如果丸料持续地磨损和添加,那么丸料的平均尺寸会越来越小,那么对于喷丸效果的影响也会越来越大。一种降低这种尺寸减小效应的方法就是所补充的新丸料的平均尺寸要等于丸料中较大部分的丸料尺寸(例如1.18)。

 

图12 铸钢丸磨损后的尺寸理想变化

 

图13 在使用后的均匀尺寸的丸料中添加10%新丸料后的尺寸分布

讨论

    作为一种固体的喷丸介质,碳钢丸喷丸的效果还是相当明显的。通过控制化学成分、热处理和制造技术可以得到所需要的硬度、韧性、延展性、近球体形状和低的成本。采用两种根本不相同的技术得到的丸料-铸钢丸和钢切丸却可以达到同样的喷丸强化效果,这一点的确令人感到吃惊。

    铸钢丸和钝化后的钢切丸在几乎每一方面都有不同,即在碳含量、形状、尺寸分布和冶金组织等方面。如果钢丝切段后的圆柱体要磨成球体,那么钢丝需要具有较好的延展性。这就需要使用亚共析的成分。铸造的显微结构相比于锻造较弱,因此铸钢丸就需要过共析钢来制备,因为过共析钢相比于亚共析钢更为坚硬。

    本文在论述丸料尺寸方面的模型都非常的简单,因此需要大家格外的注意。然而,这些模型能够突出丸料磨损后尺寸的变化对覆盖率和喷丸强度变化的影响。





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