矿用圆环链条接链环的喷丸残余应力分析

 

汪勇1,邬秋林2，郭永明1, 张伟1，王仁智3

 

（1 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京， 100072  2 北京北冶功能材料有限公司 3 北京航空材料研究院）

 

摘要：作者采用SPI=0.41A/mm 和SPI=0.5A/mm 两种表面喷丸强化的工艺对矿用圆环链条接链环进行强化处理，使用X-350A 型X 射线应力测定仪对喷丸强化后的接链环表面的残余应力与(211) 晶面的半高宽β进行测定，结果表明高的喷丸强度可以得到更高的残余应力值，对接链环表面进行喷丸强化处理可以有效地引入残余压应力，提高接链环的疲劳寿命。

 

关键词：接链环，喷丸，残余应力

 

前言

 

接链环既是连接矿用圆环链的工具，本身同时又是整套圆环链的一个环节(零件)。圆环链条被用来在矿井中拖动车辆或其他物件之用。在一条圆环链中，接链环与其它任何一个圆环一样在服中上承受拉伸载荷，确切地讲，承受脉动交变拉伸应力[1]。接链环的直杆和圆环

的弯曲段之间的部位还承受一定的弯曲应力或交变弯曲应力的作用。因此，服务过程中的主要破坏模式是脉动拉伸疲劳断裂。

 

改善和提高金属零件疲劳性能有多种方法和途径，其中从制造工艺上提高零件疲劳性能的方法中，对于室温下工作的零件，表面喷丸强化工艺应是首选的加工工艺[2]，因为该工

艺的成本低，而强化的效果高。采用喷丸强化使零件表面引入残余压应力，由此提高金属零构件的疲劳强度[3]，已在航空、航天、机车、船舶、石油、汽车、装甲车、柴油与汽油发动机、齿轮、弹簧、链条等基础件几十个工业部门中获得了最为广泛地成功应用。在圆环链、辊子链条上也得到了广泛地使用[4]。

 

为提高接链环的疲劳性能，对接链环也采用了喷丸强化处理。喷丸强化可把残余压应力引入零件的外表面层，它能起到抵消外加拉应力从而降低接链环服役中承受的拉应力水平，由此提高环的疲劳强度，延长环的疲劳断裂寿命。

 

本试验将通过测定各种加工处理后接链环的表面残余应力状态、拉伸加工工艺对喷丸引入的残余压应力的松弛量等，来评价各种加工工艺对接链环疲劳品质的影响。

 

1、接链环制造

 

1.1 接链环原材料

接链环的选材有两种：20MnVB 钢(HRC4l~44) 与23MnNiMoCr54(HRC44～45.5) 。

1.2 接链环加工制造工艺

主要制造工艺如下：

①锻件正火(800~C 空冷)②机械加工③一次预拉伸④表面渗硼处理(渗硼深0～7～1 u m，HRC>70)⑤热处理，9000C 盐水淬火+回火⑥二次预拉伸⑦表面喷丸强化处理

1.3 喷丸强化处理工艺

在履带式抛丸机上进行抛丸处理，采用钢丝切制弹丸，直径d=0.8mm ，硬度HRC52。抛丸强度分别选用SPI=0.41A/mm 和SPI=0.5A/mm 两种工艺。

 

1.4 被测接链环的加工处理状态

1）完成①到⑤道工序的加工处理，未作喷丸处理，双齿啮合良好；

2）完成①到⑤道工序的加工处理，未作喷丸处理，双齿啮合差；

3）完成①到⑤道工序的加工处理，在抛丸机上完成喷丸处理，喷丸强度为SPI=0.5A/mm；

4）完成①到⑤道工序的加工处理，在抛丸机上完成喷丸处理，喷丸强度为

 

SPI=0.41A/mm；

 

2、残余应力测定

 

2.1 残余应力测定方法与测定部位

在X-350A 型X 射线应力测定仪上测定接链环的表面残余应力（σr） 测定部位与编号、应力方向[5]见图1

 

图1 接链环残余应力（σr）测定部位与编号、应力方向（箭头所示为应力方向）

 

2.2 残余应力测定结果

对四种接链环（23MnNiMoCr54 ）的残余应力σr 与(211) 晶面的半高宽β进行测定，结果见表1

 

表1 接链环表面残余应力测量值

 

 

2.3 测定结果分析

1）未喷丸处理的环：

1、2 号部位的齿根处均为残余拉应力，其数值范围处于σr=38～113MPa ，此外，半高宽值也最小(β=2.50)。该部位的残余拉应力是热处理(淬火+回火)相变过程中引入的。回火获得的回火马氏体组织一方面未经过明显的塑性变形，另一方面在渗硼过程中该部位表层基本上未发生渗硼或者硼渗层极浅，所以β值(2.50)远比渗上硼的外表面(3 号部位)的β值(β 3=3.310)为小。因为3 号部位表面有硼元素的渗入，不仅β值比1、2 号部位的β值高，而同时使该部位引入残余压应力σr=-100～-220MPa。

 

2）喷丸处理后的环：

 

喷丸处理后的齿根处均为残余压应力，其数值范围处于σr=-215~-351 MPa ，半高宽值范围处于β=3.960 ～4.200 之间。试验结果表明，喷丸处理后的残余应力值由拉应力转化为压应力，且压应力值明显增大，半高宽β值也明显增加，是由于喷丸处理导致材料晶粒碎化，晶粒尺寸变小。同时比较两种喷丸强度可以发现，高的喷丸强度能得到更高的σr 和β值。

3、结论

 

1）采用喷丸强化的方法对矿用圆环链条接链环的表面可以有效地引入残余压应力，抵消服役过程中外加拉应力对接链环的损害。

2）采用不同的喷丸强度时，往往高的喷丸强度可以得到更高的残余压应力和半高宽值。

3）残余压应力的引入，残余拉应力的降低可以增加接链环的疲劳强度，延长接链环的疲劳断裂寿命。

 

参考文献：

 

[1] 方博武. 金属冷热加工的残余应力. 北京: 高等教育出版社. 1991.

[2] 张定辁, 何家文. 材料中残余应力的X射线衍射分析何作用. 西安. 西安交通大学出版社. 1997, 168-171.

[3] Shenhar A, Gotman I, Radin S, Ducheyne P, Gutmanas E Y. Titanium nitride coatings on surgical titanium alloys produced by a powder immersion reaction assisted coating method: residual stresses and fretting behavior. Surface & Coatings Technology. 2000, 126(2-3): 210-218.

[4] Townsend P H, Barnett D M. Elastic relationships in layered composite media with approximation for the case of thin films on thick substrate. Journal of Applied Physics. 1987, 62: 4438-4444.

[5] 邯郸爱斯特研究所. X-350A 型X射线应力测定仪使用手册.2005