摘要：利用ERVIN欧文寿命试验机研究四种粒度铝丝切丸抛喷丸清理的磨损失效过程和清理能力，测定了磨损剩余量与冲击循环次数的关系、观察了铝丝切丸磨损表面形貌，测量了清理铝板表面达到100%覆盖率的冲击循环次数和粗糙度。结果表明：铝丝切丸磨损过程分为钝化磨圆、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段；磨损过程中铝丝切丸持续发生加工硬化；粒度越大的铝丝切丸稳定磨损阶段越长，欧文循环寿命大大增长；粒度越小的铝丝切丸清理效率越高，粗糙度Ra、Rz值越小。关键词：铝丝切丸；磨损过程；欧文循环寿命；加工硬化；清理性能；粗糙度

　　铝丝切丸广泛应用于铝、锌压铸件及其锻件的表面抛喷丸清理。检索国内外文献未见铝丝切丸研究的相关报道。本文对铝丝切丸磨损过程和清理能力进行了研究，测定铝丝切丸的各项性能，为其合理应用提供参考依据，并为JB/T 8354抛喷丸清理及强化用金属磨料 第七部分铝丸[1]机械行业标准的制定提供可靠依据。

1. 试验

1.1 试验材料

　　试验样品为0.6mm、0.8mm、 1.0mm、1.2mm 四种不同粒度的铝丝切丸，其主要性能参数见表1。

1.2 试验方法

　　使用ERVIN寿命试验机[2](Ervin Test Machine)，模拟15g铝丝切丸样品在实际清理过程中的磨损失效过程，弹丸的抛射速度为61 m/s,靶材硬度为64HRC，冲击循环一定次数后取出样品，用孔径为0.3mm的筛子筛分去除失效的弹丸和碎屑，称量记录剩余量，然后重新装入 ,再重复上述步骤,直到剩余重量小于初始加入量的5%，即0.75g, 停止试验。使用扫描电子显微镜观察弹丸磨损形貌，并做剩余量与冲击循环次数关系曲线，分析讨论铝丝切丸的磨损失效过程，通过面积法[3]，计算铝丝切丸欧文循环寿命。

　　在ERVIN寿命试验机中，装入5g铝丝切丸样品，对79mm×19mm×2mm，硬度为35～40HV的纯铝板进行抛打清理，直到铝板表面抛打覆盖率达到100%，记录抛打次数，测量清理后的粗糙度。

2. 实验结果与分析

2.1 铝丝切丸的磨损过程

2.1.1 铝丝切丸的磨损曲线

　　四种不同粒度的铝丝切丸在不同冲击循环次数下的剩余量与冲击次数的关系曲线见图1所示。

　　铝丝切丸的磨损过程可以分为钝化磨圆、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段[4]。以粒度为1.0mm铝丝切丸为例，冲击循环次数0到50次为钝化磨圆阶段，该阶段柱状的铝丝切丸在冲击过程中棱角钝化、磨损逐渐变为圆球状见图2(a)～(b)；冲击循环次数为50到10000次为稳定磨损阶段，弹丸质量损失很少，大小基本不变见图2(b)～(f)；冲击循环次数在10000次之后为剧烈磨损阶段，弹丸质量损失加快，铝丝切丸中出现大量小丸粒见图2(g)～(i)。

　　四种不同粒度钝化磨圆的冲击次数均为50次，粒度为1.2mm和1.0mm的铝丝切丸稳定磨损阶段持续时间长，冲击次数达到10000次；粒度为0.8mm和0.6mm的铝丝切丸稳定磨损阶段相对较短，冲击次数在5000次。粒度越小的铝丝切丸稳定磨损的冲击次数越少。

2.1.2 铝丝切丸的欧文循环寿命

　　四种不同粒度的铝丝切丸欧文循环寿命见图3所示。

　　根据面积法计算15g样品的欧文循环寿命，粒度为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm的铝丝切丸欧文循环寿命分别为7458次、10088次、13566次和14068次。粒度越大欧文循环寿命越长。

2.1.3 铝丝切丸的加工硬化

　　铝丝切丸硬度低、塑性好，在不断冲击碰撞过程中，弹丸发生塑性变形，位错密度升高，持续发生加工硬化。以1.0mm铝丝切丸为例，在冲击之前，弹丸硬度为45HV，冲击磨损失效之后，弹丸表层区域硬度达到93HV，心部区域达到66HV。在金属磨料中，铝丝切丸的加工硬化程度高，影响大，对铝丝切丸的欧文循环寿命长和磨损过程有直接关系。

2.1.4 铝丝切丸的磨损过程分析

　　对磨损后的弹丸形貌进行扫描电子显微镜观察，发现主要存在多平面球状见图4(a)、大裂纹开裂见图4(b)和心部脱落见图4(c)三种形貌。

　　铝丝切丸有较长的稳定磨损阶段，弹丸在该阶段的不断冲击碰撞过程中，冲击点发生塑性变形，变为小平面，弹丸成为多平面球状，且自身形变吸收部分冲击功[5]，位错密度升高，持续发生加工硬化。该阶段，铝丝切丸质量损失很少，仅发生少量的表面剖落，使其欧文循环寿命大大增长。铝丝切丸进入剧烈磨损阶段，反复加工硬化后，表层区域超过材料自身断裂极限[6]，产生微裂纹，在持续冲击过程中微裂纹扩展长大，最终断裂，大弹丸分裂成多个小丸粒，同时，部分弹丸发生心部剖落，铝丝切丸质量快速减少，直至磨损失效。

2.2 铝丝切丸的清理能力

　　图5(a)可知，不同粒度相同质量下，粒度越小抛打铝板达到100%覆盖率的冲击次数越少，说明粒度小的铝丝切丸清理效率高；图5(b)可知，粒度越小，粗糙度Ra和Rz值越小。在相同质量下，粒度小的铝丝切丸，弹丸数量多，在相同抛射条件下，粒度小的弹丸抛打在铝板上的数量多，清理效率高；根据能量定理E=1/2 mv2可知，粒度小的弹丸，冲击能量小，弹坑小，因此抛打的粗糙度小。从图6可以看出，粒度为1.2mm铝丝切丸抛打铝板表面弹坑大而疏，而粒度0.6mm铝丝切丸抛打的铝板表面弹坑小而密。

3. 结论

　　(1) 铝丝切丸的粒度越大，稳定磨损阶段越长，欧文循环寿命越长。
　　(2) 铝丝切丸的磨损过程分为钝化磨圆、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段；在稳定磨损阶段，铝丝切丸持续发生加工硬化，硬度升高，但质量损失很少，大大增长了欧文循环寿命；在剧烈磨损阶段，铝丝切丸的磨损失效以弹丸产生裂纹并分裂成小丸粒的方式为主。
　　(3) 在相同质量条件下，铝丝切丸的粒度越小，清理效率越高，但粗糙度Ra和Rz值越小。

参考文献

1 JB/T8354.2-2015抛喷丸清理及强化用金属磨料第5部分：不锈钢丸[S].2015.
2 Ervin Industries.2002,The Ervin Test Machine.
3 SAE J 445A. Metallic Shot And Grit Mechanical Testing[S]，1996.
4 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.
5 刘如伟.抛丸清理、喷丸强化用弹丸的性质及选择原则[J].铸造技术, 1996.(3):8.
6 赵新华,刘如伟等，钢材表面除锈用高碳铸钢丸的磨损失效分析[J].材料保护，2009,9(42):7-9.

孙洪聪、刘如伟、朱文龙
山东大学 材料科学与工程学院
济南250061

张守全、王健、李铭哲、张嘎
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