摘要：本文用欧文寿命试验机模拟0.4mm 410材质不锈钢丝切丸、低碳钢丝切丸对铝合金试片、不锈钢试片的抛喷丸清理过程，并测定其磨损过程及欧文循环寿命。结果表明：410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理能力更强；低碳钢丝切丸抛喷丸清理能力较弱；其磨损失效过程均可分为磨圆钝化、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段，410材质不锈钢丝切丸ERVIN欧文循环寿命为4413次，低碳钢丝切丸为2799次，410材质不锈钢丝切丸耐磨损性能与清理效率更高。关键词：不锈钢丝切丸；低碳钢丝切丸；磨损过程；抛喷丸清理

　　近年来我国不锈钢、铝合金产业发展迅猛，工业产量持续增长[1~2]，对于抛喷丸清理用不锈钢丝切丸的需求随之增加。低碳钢丝切丸外观与410材质不锈钢丝切丸相近，极易混淆，查阅大量资料，未发现有关二者使用性能的研究报道。本试验用山东开泰集团有限公司生产的规格为0.4mm的410材质不锈钢丝切丸与市场上使用的规格为0.4mm的低碳钢丝切丸作试样。用欧文寿命试验机模拟0.4mm 410材质不锈钢丝切丸、低碳钢丝切丸对铝合金试片、不锈钢试片的抛喷丸清理过程，并测定其磨损过程及欧文循环寿命。

1. 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

　　试验用0.4mm 410材质不锈钢丝切丸和经过50次预钝化处理低碳钢丝切丸，试样形貌如图1.1，性能参数见表1-1。

1.2 试验方法

　　抛喷丸清理试验：称取5g经200次钝化磨圆后的410材质不锈钢丝切丸，分别用尺寸为76mm×19mm×3mm(长×宽×厚)、硬度为100HV的2024铝合金试片及尺寸为76mm×18.5mm×2mm(长×宽×厚)、硬度为182HV的304不锈钢试片替换欧文寿命试验机[3]的靶材，分别进行抛打实验，每抛打一定次数后，对试片进行表面形貌扫描，并用电子天平称量试片质量的变化，直至试片覆盖率为100%。抛打完成后，用Wyko NT9300白光干涉仪[4]扫描试片表面轮廓，并用粗糙度测量仪测量试片表面粗糙度。低碳钢丝切丸重复上述试验步骤。
　　磨损过程试验：称量410材质不锈钢丝切丸50g，并置于欧文循环寿命试验机中，进行试验。每500次抛打磨损后取出，用50#标准实验筛筛分试样，称量并记录筛上物质量，并用Epson V19扫描仪进行扫描，观察其形貌的变化。将剩余试样重新放入欧文寿命试验机中。重复以上步骤，直到试样质量少于2.5g后，停止实验。按SAE J445-2005 Metallic Shot and Grit Mechanical testin标准[5]，用面积法[6~7]测量试样欧文循环寿命，并绘制循环次数与剩余质量曲线，以研究其磨损过程。低碳钢丝切丸重复上述试验步骤。

2. 试验结果

2.1 抛喷丸清理能力对比

2.1.1 对铝合金试片的清理

　　抛打铝合金试片使其表面覆盖率达到100%，用410材质不锈钢丝切丸抛打须50次，试片表面粗糙度Ra值为9.89μm，Rz值为58.13μm；用低碳钢丝切丸抛打须90次，试片表面粗糙度Ra值为8.25μm，Rz值为49.09μm。通过观察不同次数抛打后铝合金试片的形貌变化，如图2.1、图2.2，发现低碳钢丝切丸与410材质不锈钢丝切丸都能够对铝合金试片起到很好的清理效果，清理后铝合金试片表面平整光亮，干净清洁。但相同抛打次数时，410材质不锈钢丝切丸抛打获得的表面覆盖率更高；获得相同表面覆盖率时410材质不锈钢丝切丸所用次数更少。结果表明：410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理效率更高，清理能力更强。

2.1.2 对不锈钢试片的清理

　　抛打不锈钢试片使其表面覆盖率达到100%，用410材质不锈钢丝切丸抛打须80次，试片表面粗糙度Ra值为3.22μm，Rz值为19.98μm；通过观察不同次数抛打后不锈钢试片的形貌变化如图2.3、图2.4，用0.4mm低碳钢丝切丸抛打不锈钢试片，90次抛打后试片覆盖率接近100%，但随抛打次数增加，试片表面很难达到完全覆盖，最终试片表面粗糙值Ra值为2.49μm，Rz值为15.26μm。结果表明：410材质不锈钢丝切丸硬度比低碳钢丝切丸高，不锈钢丝切丸的清理效果更好。

2.1.3 白光干涉表面轮廓扫描

　　用白光干涉仪对抛打后铝合金试片、不锈钢试片分别进行表面轮廓扫描，得到表面三维轮廓图。如图2.5、2.6可以直观的观察到抛打后试片表面局部的凹凸状况。与410材质不锈钢丝切丸相比，用低碳钢丝切丸抛打后试片表面形成的凹坑更浅，峰谷间最大起伏较小，表面粗糙度更低。结果表明碳钢丝切丸表面去除能力较弱，对于杂质、缺陷较深的表面是不利的，仅可用于硬度较低且较薄的板材、壳体或者精密件的表层清理中。

2.2 磨损过程分析

2.2.1 磨损阶段分析

　　410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸的磨损过程均可分为四个阶段，钝化磨圆阶段、稳定磨损阶段、加速磨损阶段、剧烈磨损阶段，如图2.7、2.8和2.9。
　　钝化磨圆阶段，此阶段圆柱状的丸粒在碰撞靶材时，边缘棱角等凸起由于碰撞时接触面小，所受压强加大，最容易变形。进过多次碰撞、形变后，边缘棱角都变形为多个小平面，丸粒逐渐变形为多面体球状。由于部分尖锐棱角在碰触中断裂以及少量粒度较小丸粒被筛网筛除，总体质量损失相对明显。此阶段410材质不锈钢丝切丸为0～300次，低碳钢丝切丸为0～200次。
　　稳定磨损阶段，丸粒的主要变化为极缓慢的表层脱落[8]与表层加工硬化带来的位错积累，此外有极少量较小丸粒由于粒度逐渐减小被筛网筛除，总体质量损失很少。此阶段410材质不锈钢丝切丸为300～4000次，低碳钢丝切丸为200～2000次。
　　加速磨损阶段，经过大量冲击磨损，丸粒内部位错等缺陷密度达到极限值。大多数丸粒表面都出现明显裂纹，部分丸粒表面裂纹延伸到心部，造成心部脱落甚至断裂，少数丸粒断裂后又被钝化，从母体断裂并脱落的部分尺寸较小，被筛网筛除，总体质量损失较上阶段有所增加但变化不大。此阶段410材质不锈钢丝切丸为4000～4500次，低碳钢丝切丸为2000～2500次。
　　剧烈磨损阶段，丸粒大量破碎成小颗粒，有的颗粒尺寸大于筛网直径，继续磨损破裂，直到被全部筛网筛除，磨料已完全磨损失效。此阶段410材质不锈钢丝切丸为4500～7000次，低碳钢丝切丸为2500～4500次。
　　结果表明：410材质不锈钢丝切丸的耐磨损性更好，各磨损阶段循环次数均长于低碳钢丝切丸，尤其是抛喷丸清理过程中最重要的的稳定磨损阶段，比低碳钢丝切丸循环次数高1倍左右。

2.2.2面积法测欧文循环寿命

　　欧文循环寿命能够直接反应不同磨料实际使用寿命的长短，较长的使用寿命可以减少抛喷丸清理过程中磨料更换添加次数，提高工作效率；同时，较长的使用寿命可以更好的保证抛喷丸工艺的稳定性，对于确保表面粗糙度的稳定及表面的清洁具有重要意义。由图2.7欧文循环次数与剩余质量曲线可测得：
　　不锈钢钢丝切丸欧文循环寿命=220646/50次=4413次
　　低碳钢丝切丸欧文循环寿命=139927/50次=2799次
　　结果表明：同质量、同规格情况下，410材质不锈钢丝切丸的欧文循环寿命是低碳钢丝切丸1.57倍。

3. 鉴别方法

　　通过试验发现，410材质不锈钢丝切丸的抛喷丸清理能力、欧文循环寿命等方面均优于低碳钢丝切丸，但由于低碳钢丝切丸价格更低，因此市场上经常出现用低碳钢丝切丸冒充不锈钢丝切丸的情况。以下是两种鉴别方法，可以有效的鉴别低碳钢丝切丸与不锈钢丝切丸。
　　方法一：取除少量样品放置于滤纸上，滴数滴10% CuSO4溶液，等待1分钟，颜色变黄或变黑，为低碳钢丝切丸；不改变颜色，为不锈钢丝切丸。
　　方法二：取除少量样品放置于滤纸上，滴数滴5%硝酸酒精溶液，等待30秒，颜色变暗，为低碳钢丝切丸；仍保持光亮，为不锈钢丝切丸。

4. 试验结论

　　由本试验可得出以下几个结论：
　　1、在同等质量、相同规格大小情况下，对2024铝合金试片进行抛喷丸清理，达到100%覆盖率时410材质不锈钢丝切丸用50次,低碳钢丝切丸用90次；对304不锈钢试片进行抛喷丸清理，410材质不锈钢丝切丸用80次，低碳钢丝切丸90次后接近100%覆盖，但很难达到完全覆盖。表明410材质不锈钢丝切丸抛喷丸清理能力更强、抛喷丸清理效率更高。
　　2、低碳钢丝切丸抛打后试片表面粗糙度低，轮廓起伏较小，形成凹坑很浅，仅能对表层极浅区域起到清理效果，无法对不锈钢试片等较硬工件表面的起到很好清理效果。且在相同抛打次数下，试片表面质量去除少，对于表面杂质缺陷等的实际去除效果较差。表明低碳钢丝切丸抛喷丸清理能力较弱。
　　3、410材质不锈钢丝切丸与低碳钢丝切丸的磨损过程均可分为钝化磨圆、稳定磨损、加速磨损、剧烈磨损四个阶段，但每个阶段410材质不锈钢丝切丸持续时间更长；面积法测得410材质不锈钢丝切丸欧文循环寿命为4413次，远多于低碳钢丝切丸的2799次，表明其耐磨损性能更好。

参考文献

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[2]刘静安,铝加工.浅谈中国铝及铝合金材料产业现状与发展战略[J].铝加工. 2006(01)
[3] Ervin Industries.2002, The Ervin Test Machine.
[4]袁丽.白光干涉仪的可用性研究[D].华中科技大学.2013
[5] SAE J455A-2005, Metallic shot and girt mechanical testing (2005).
[6]赵新华,刘如伟,王宏伟,等等.钢材表面除锈用高碳铸钢丸的磨损失效分析[J].材料保护, 2009 ,42(9):7-9.
[7]高洪举,刘如伟,赵新华, 等等.铸件抛丸清理用钢丝切丸欧文寿命测定及磨损失效分析[J].铸造技术2008,12(29)：1674-1676.
[8]石小云,刘如伟,刘超等,喷丸强化用钢丝切丸的磨损失效机理[J].机械工程材料,2016,11:67-70.

朱文龙、刘如伟、孙洪聪
山东大学 材料科学与工程学院
济南250061

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山东开泰集团有限公司
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