羅有心, 楊利杰, 裴敏男, 沈澤豪, 裴敏婕, 鐘高武
(1. 浙江久立特材科技股份有限公司, 浙江湖州 313028;2. 湖州市南潯區(qū)政務服務管理辦公室, 浙江湖州 313009;3. 湖州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院, 浙江湖州 313028)
奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁噴丸強化是將金屬彈丸高速撞擊鋼管內(nèi)表面, 內(nèi)表層在彈丸的沖擊下發(fā)生多次疊加塑性變形, 最終形成噴丸強化層。 強化層是具有一定深度的塑性變形硬化層, 包括碎化晶層、 單滑移層和多滑移層。 碎化晶層位于噴丸層的最表層, 其組織是高畸變的亞結(jié)構(gòu)(亞晶)組織, 奧氏體晶界和滑移帶消失; 單滑移層位于噴丸層靠基體側(cè), 其組織大部分奧氏體晶粒發(fā)生單系滑移, 越接近基體組織發(fā)生單系滑移的晶粒比例越低; 多滑移層位于單滑移層和碎化晶層之間,其組織特征是奧氏體晶粒內(nèi)發(fā)生多系滑移。 奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁噴丸強化層典型組織如圖1 所示。
圖1 不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁噴丸強化層典型組織形貌
噴丸強化層硬度檢測設備包括AXIO Imager A2m ZEISS 金相顯微鏡、 HB-3000 布氏硬度計以及401MVD 數(shù)顯顯微維氏硬度計, 檢測設備應滿足GB/T 4340.2 規(guī)定, 設備標尺在HV0.01~HV1.0, 硬度計壓頭應當是具有正方形基面的金剛石錐體。
取樣位置如圖2 所示, 取被強化鋼管管頭、管尾兩端段及中間段、 長度不大于30 mm 的3 個管環(huán)試樣, 采用機械切割截段, 兩端平頭。 對于不能滿足試驗設備的試樣, 允許按0°、 90°、180°、 270°切割為4 塊20 mm×30 mm 的小樣(或適宜的若干塊小樣), 在整個加工過程中確保樣品不受熱影響和變形。
強化層硬度取樣后, 選取一個截面與熱加工軸線平行的檢測面進行研磨拋光, 盡量避免產(chǎn)生夾角。 為了使檢驗面平整, 試樣可用夾具或鑲嵌的方法加以固定。 試樣在拋光時, 應使其檢測面盡可能干凈平整, 檢測面粗糙度應滿足標準要求。
圖2 硬度檢測取樣位置及尺寸
2.3.1 強化層深度
采用金相分析法, 將試樣檢測面用水60 mL、硫酸銅10 g、 氯化鈉20 g、 硝酸40 mL 的混合溶液或其他適宜的腐蝕劑腐蝕以顯示試樣顯微組織。將試樣檢測面在50~100 倍顯微鏡下觀察噴丸層的組織變化, 選擇噴丸層較均勻且相對最深的噴丸層深度, 推薦200 倍或以上顯微鏡下選測3~5 個相隔有規(guī)律的點進行測量, 取測定數(shù)據(jù)的平均值作為總硬化層深度。 圖3 所示為奧氏體不銹鋼10Cr18Ni9NbCu3BN 正常噴丸層典型顯微組織形貌, 圖4 所示為漏噴區(qū)和欠噴區(qū)組織形貌。
圖3 正常噴丸層典型顯微組織形貌
圖4 非正常噴丸層典型顯微組織形貌
2.3.2 顯微硬度測定
用與試樣硬度相近的標準硬度塊對設備進行驗證。 將試樣檢測面朝上, 平穩(wěn)置于顯微硬度計載物臺上, 選擇合適的試驗力加載(優(yōu)先采用較大試驗力)。 在顯微鏡下分別(隨機) 在0°、 90°、180°、 270°找出距邊緣60 μm (或按技術(shù)要求位置和深度) 深度處及基體各3 個試驗點進行檢測,加載完畢后按標準測量壓痕對角線長度, 讀取硬度值, 取3 個測試點硬度平均值為最終硬度值。
通過對基體硬度的測定及噴丸強化層硬度的測定, 對基體與強化層硬度差值進行比較, 得出是否達到產(chǎn)品要求指標。 例如: S30432 和347HFG 不銹鋼鋼管一般控制橫截面噴丸強化層硬度≥280HV0.5, 基體硬度值≥200 HV0.5且與母體位置測定的硬度差值>100HV0.5; 按金相分析法檢測鋼管橫截面噴丸強化層的有效深度≥60 μm。
當零件有特定目標區(qū)域/部位需要強化時, 設計使用的丸料為不銹鋼丸。 根據(jù)丸粒大小, 利用壓縮空氣的噴丸強化是較理想的選擇。 同時噴嘴角度、 規(guī)格、 移動速度、 空壓氣體壓力等都是重要的技術(shù)參數(shù)。 不同直徑丸粒的殘余應力分布如圖5 所示, SUP9 鋼工件表面硬度600HV0.5, 噴丸投射速度73 m/s, 噴丸硬度700HV0.5, 覆蓋率300%。 噴丸強度與殘余應力、 衍射半高寬、 顯微硬度、 疲勞強度的關(guān)系如圖6 所示。
圖5 不同直徑丸粒的殘余應力分布狀況
圖6 噴丸層強度與殘余應力、衍射半高度、顯微硬度和疲勞強度的關(guān)系
通過缺陷圖譜觀察缺陷晶粒的相位關(guān)系, 確定缺陷類型(漏噴、 欠噴)。 分析應根據(jù)合理的程序進行, 保證原始數(shù)據(jù)采集清晰、 完整。 表1 為強化層維氏硬度值。 由表1 檢測結(jié)果可以看出, 所測試的S30432 不銹鋼鍋爐管橫截面噴丸層硬度≥280HV0.5, 基體硬度值接近200HV0.5, 與母體位置硬度差大于100HV0.5, 噴丸層有效深度≥60 μm。所測強化層試樣硬度值符合設計要求。
表1 不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁強化層硬度檢測結(jié)果
本研究顯微硬度測定法適用于小直徑管材內(nèi)表面噴丸強化層的檢測和評價, 如內(nèi)徑20~57 mm、 外徑38~76 mm、 長度12.5 m 的S30432 和347HFG 鍋爐管, 方法實用、 可靠。 另外, 對于強化層的檢測與評定, 除了顯微硬度測定法, 目前比較先進的檢測方法是X 射線衍射, 主要是檢測材料的殘余應力, 是以二維X 射線探測器技術(shù)為基礎, 針對超大晶粒材料進行衍射, 對得到的衍射圖像進行分析處理后得到衍射數(shù)據(jù), 再根據(jù)衍射數(shù)據(jù)繪制晶粒圖, 得到材料的真實晶界位置。 X 光衍射法區(qū)別于傳統(tǒng)檢測得到的平均晶粒尺寸, 準確性更高。