凯发国际 高強鋁合金表面強化工藝研究

摘要:鋁合金表面強化包括噴丸強化、 振動強化和滾筒強化, 它們均使材料表面產生一層強化層, 其深度約在 0.07～ 0.5 mm 。研究了滾筒強化處理后 7B04 高強鋁合金厚板的表面殘余應力、 硬化層深度和疲勞性能。試驗結果表明, 滾筒強化處理能明顯提高 7B04 鋁合金厚板的疲勞性能。
關鍵詞:滾筒強化 ;7B04 鋁合金;疲勞性能;殘余應力;硬化層深度。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理

通過表面強化技術提高零件疲勞壽命早在 20世紀 30 年代已經開始 , 使用最多的是噴丸技術,隨著航空工業的迅速發展, 1948 年美國宇航材料規范中制訂了噴丸強化工藝規范 AMS2430 。隨后發展了振動強化和滾筒強化技術 。一般情況下, 上述強化使材料表面產生一層強化層, 其深度約在 0 .07 ～ 0 .5 mm, 它與整個零件的厚度(或直徑)相比顯然是極薄的一層 , 所以強化層對材料的靜強度以及沖擊強度等無明顯的影響 。但對于強烈依賴
于材料表面(應力和組織)狀態的疲勞性能, 強化層卻有顯著的影響[ 1 ～ 3] 。噴丸強化是高速運動的彈丸流噴射材料表面并使其表層發生塑性變形的過程 , 加工效率高 , 但受設備尺寸限制 , 適于中小尺寸且形狀較簡單的零件強化 ;振動強化是對加工箱體施加振幅 1 ～ 35 mm 和振動循環頻率 16 ～ 50Hz , 使箱體中顆粒具有高的相對運動而使零件表面層產生塑性變形 , 其特點是運動顆粒可沿任何形狀的零件輕易流過, 適于復雜形狀零件的強化;上述強化方式均不適用于大型飛機零件如壁板、大梁、 框架等的強化, 而滾筒強化工作室尺寸大,它是在滾筒設備中裝入松散的工作介質(小立方體鋁塊), 把零件固定在設備中。由于滾筒軸是傾斜狀, 滾筒轉動時可以保證顆粒在沿著周向運動的同時, 也能沿著軸向運動, 從而撞擊零件的各個表面使其發生塑性變形 , 導致表面層的顯微組織發生變化 , 并產生殘余壓應力, 從而改善零件抗疲勞性能, 提高零件的使用壽命和可靠性。本文將研究高強鋁合金滾筒強化工藝及對疲勞性能的影響。
1 試驗原料和方法
1 .1 試驗原料
試驗用材料為 7B04 高強鋁合金預 拉伸板(40 mm), 名義合金成分為:5 .75 %Zn , 1 .69 %Cu ,2.35 %Mg , 0 .37 %Mn , 0 .17 %Cr, 0 .08 %Fe。滾筒強化工作介質采用 7A04 高強度鋁合金 。
1 .2 試驗方法
滾筒強化設備采用俄制箱式滾筒撞擊設備YBR2-5 。將 7A04 合金制成 3 mm ×3 mm ×3 mm 的立方體顆粒, 其尖角和棱邊在滾筒中倒角成半徑≥0 .2 mm , 然后進行除油、 清洗和干燥處理。檢驗強化效果首先用放于不同位置的隨爐強化試片檢驗撓度值(f)。試片尺寸如圖 1 所示。

圖 1 滾筒強化檢驗試片(mm)

不同位置檢驗試片的撓度值, 反映實際強化零件不同表面的強化效果 。5 件檢驗試片與疲勞試樣一起在滾筒的工作室中加以強化 , 安裝位置見圖 2 所示。

圖 2 試片安裝位置
(1)基板;(2)縱向肋條;(3)橫向肋條;(4)5 件試片

疲勞試驗采用片狀試樣, 其形狀和尺寸見圖3 。試樣滾筒強化前進行表面陽極化處理 。

圖 3 疲勞試樣形狀和尺寸(mm)

疲勞試樣分為 4 組, 其中 1 組不強化 , 其余 3組在不同時間進行強化處理, 詳見表 1

表 1 疲勞試樣滾筒強化工藝參數



表 2. 3 組試片滾筒強化后撓度值

由表 2 可以看出, 位于基面和縱向的檢驗試片撓度值滿足標準規定要求 , 而位于橫向的試片撓度值基本滿足標準規定要求 。表明疲勞試樣不同表面強化效果滿足要求。
2 .2 疲勞試樣殘余應力
采用 X 射線衍射法測量被強化疲勞試樣上的表面殘余應力, 未強化和強化的殘余應力為負值,也就是壓應力, 見表 3 。

表 3 表面殘余應力值

由表 3 可以看出, 未強化試樣縱向和橫向殘余應力分布不均勻 , 而不同時間強化后變得均勻 , 且殘余應力值相差很小 。
2 .3 疲勞試樣硬化層深度
采用 X 射線衍射法測量被強化疲勞試樣上的硬化層深度 , 檢測方向為縱向, 試驗結果見表 4 。
由表 4 可見 , 3 種強化時間的硬化層深度均滿足標準規定要求 。2 , 3 h 無差異 , 6 h 硬化層加深。


表 4 強化處理的疲勞試樣上硬化層深度

2 .4 疲勞性能
試驗采用低頻軸向疲勞 , 試驗的應力比為0.1 , 加載頻率為 10 次/min 左右 。疲勞試驗結果見圖 4

圖 4 不同強化時間的疲勞性能

體現強化效果的主要參數是表面硬化層深度和表面殘余應力 , 硬化層深度隨強化時間增加而變厚 , 表面殘余應力亦隨強化時間增加而變大 , 但由于材料基體內部抵抗變形的作用 ,使得表面殘余壓應力不可能無限增大 , 當硬化層達到一定厚度后相反會因應力松馳逐漸降低 。從表 3 和表 4 的數據分析 , 強化時間增至 6 h 時 , 硬化層深度相對強化 3 h 加深 , 但表面殘余應力卻有所降低 , 而材料的抗疲勞性能強烈依賴于表面殘余壓應力 , 殘余壓應力一方面能夠在裂紋產生前的一段過程中起著降低交變載荷中拉應力水平的作用 , 使裂紋源不易產生 ;另一方面可提高決定材料由于缺陷(陽極化對樣品表面完整性不利)或微裂紋而擴展的臨界應力強度因子幅度 ΔK th值 , 使裂紋不易擴展 , 從而明顯提高材料的抗疲勞性能 。
從圖 4 可以看出 , 強化 3 h 后繼續增加強化時間疲勞性能反而有所降低 。鑒于此 , 并考慮工廠實際生產效率和零件使用壽命 , 強化時間選擇在 3 h左右為宜 。
3 結 論
滾筒強化處理可明顯提高 7B04 鋁合金零件的疲勞壽命 。滾筒強化時間選擇在 3 h 左右為宜 。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
參考文獻 :
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