气穴冲击和喷丸处理的钢制辊子的滚动接触疲劳寿命.docx

气穴冲击和喷丸处理过的钢制辊子的滚动接触疲劳寿命冈山大学研究生院自然科学技术专业 东北大学纳米力学系 新东工业株式会社 新产品开发中心摘要 本研究的目的是探讨喷丸对滚动接触（RCF）钢辊的疲劳寿命的影响。首先采用三种喷丸方式来对进行处理以保证被击打过的辊子的表面粗糙度相同。一种方式为使用注入压力30MPa的水的空化射流的气穴冲击（CP），其余方式分别是使用直径0.1mm粒子的微粒子喷丸(FPP)和使用直径0.3mm粒子的正常喷丸（NSP）。所用的这些喷丸方式均提高了钢制辊子表面的硬度以及表面残余应力。尤其是它们主要由微粒子喷丸（FPP）来提高。另外，由气穴冲击和正常喷丸形成的加工硬化深度大于微粒子喷丸。滚动接触疲劳测试的结果显示所有的喷丸方式均对钢制辊子滚动接触寿命有所提高，正常喷丸（NSP）提高最多。从pmax- N curves and the [A(σy/ 3 HV)]max - N曲线可以判断出微粒子喷丸对滚动接触寿命的提高很大程度上取决于表面的硬度，而气穴冲击和正常喷丸在表面粗糙度和硬度相同的情况下效果相当。从这些可以得出零件表面的处理方式应该根据滚动接触情况以及零部件失效形式来进行选择。关键字：滚动接触疲劳 气穴冲击 喷丸 微粒子喷丸 表面粗糙度 硬度 残余应力1简介 喷丸是一种在航天和汽车工业中广泛用来提高金属零部件疲劳寿命的表面处理方式。在喷丸中，材料表面被预先加到高速的大量坚硬粒子所影响，造成被喷丸过的表面机械性能发生变化。特别是粒子直径小于0.2mm或0.15mmA弧高度的，被称为微粒子喷丸（FPP）。据报道微粒子喷丸除了提高疲劳强度还可以有效控制表面形貌（1），已经应用在机械零件的表面处理。另一方面不需要喷射粒子的气穴冲击（CP）也是一种表面处理方式，它可以在造成较小的表面粗糙度变化的情况下提高表面附近的硬度和残余压应力。我们以往的研究（2）证明被气穴冲击处理30min的辊子的接触疲劳寿命得到了提高。因此在这项研究中将采用气穴冲击和喷丸强化的处理方式来保证被冲击过的钢制辊子表面粗糙度相同，同时对其进行滚动接触疲劳测试来研究气穴冲击和喷丸强化分别对辊子接触疲劳寿命的影响。2、试样接触疲劳测试中使用的试验辊子副由直径为60mm的慢速试验辊和快速配套辊组成。试验辊和配套辊均采用铬钼铸钢（JIS:SCM415）。试验辊在淬火回火前进行了渗碳处理，配套辊进行了碳氮共渗。这些辊子在热处理后被加工到最终尺寸，它们的最终圆周表面分别进行了气穴冲击和喷丸强化处理。这里辊子的杨氏模量和泊松分别比为206Gpa和0.3。（a）试验辊（b）配套辊图1 试验辊子副的形状及尺寸 条件名称CP喷嘴类型C喷射类型水喷嘴直径 mm2喷射压力 MPa30水腔压力 MPa0.42处理时间 min5防区外距离 mm85辊子转速 rpm20条件名称FPPNSP丸粒材料铁基非晶钝化切丸丸粒直径 mm0.10.3丸粒硬度 HV900600空气压力 MPa0.10.5喷丸时间 s12弧高 mmN0.2050.694覆盖率 %300喷射距离 mm150辊子转速 rpm30表1 试验辊子副的气穴冲击条件 表2 试验辊子副的喷丸强化条件 表1显示试验辊子副的气穴冲击条件。气穴冲击（3）是由空泡破裂造成的冲击波和由微射流造成的冲击力来进行冲击的。它使用水空化射流（4）或空气的空化射流（5）。在这个研究中采用水的空化射流，它是将高速水流摄入充满水的空腔中形成的。自来水也被用来产生高速水射流。辊子被安装在充满自来水的的空腔中，就在气穴冲击中它们以20rpm的速度进行回转。 表面粗糙度是影响领机械零部件接触疲劳寿命的因素之一，其次使用冲击而增加的表面粗糙度可以诱使接触疲劳寿命（6）的缩短。如后所述，被冲击过的测试辊的粗糙度的算数平均值也就是表面粗糙度为Ra 0.27μm。为了调查气穴冲击和喷丸对钢制辊子接触疲劳寿命的影响，选择了表2中展示的两种喷丸条件来保证与气穴冲击过的辊子具有相同的表面粗糙度。一种为使用直径0.1mm粒子的微粒子喷丸和另一种使用直径0.3mm的正常喷丸。这里在正常喷丸中使用的粒子硬度为600HV，比平常使用的粒子要软来减少由正常喷丸造成的表面粗糙度的增加，因为正常喷丸很容易造成表面粗糙度的增加。在这个研究中采用的喷丸粒子为空气喷丸粒子，辊子被这些粒子进行处理的同时以30rpm的速度匀速转动。气穴冲击和喷丸强化处理的时间分别为5min和12s。图2 试验辊的表面照片和粗糙度曲线 图2 显示了试验辊在进行接触疲劳测试前的表面照片。在图中所示样品中，R放在—前面来代表试验辊，R-NP代表没有被冲击处理的试验辊。使用激光扫描显微镜来取得试验辊表面图像。在这个图中显示了测试辊的粗糙度曲线及其谱分析结