原標題：局部噴丸處理對低壓鑄造A356鋁合金轉向節鑄件組織與性能的影響

摘要：對A365鑄造鋁合金轉向節鑄件引入局部表面噴丸強化工藝，測試并分析表層殘余應力分布情況及加熱溫度對其影響、表層顯微硬度并觀察噴丸截面金相組織。結果表明，通過噴丸處理可使表層組織中的共晶Si細化并顯著提高鋁合金表層硬度。噴丸時間為0~30 min時，隨噴丸時間延長鋁合金表層硬度逐漸增大，噴丸時間為30 min時表層硬度（HV）約為230，與材料心部相比提高了約1.35倍。由于噴丸效果在超過100 ℃時會消失，因此噴丸處理后的鑄件工作溫度建議不超過100 ℃。

噴丸處理是將高速彈丸流噴射到零件表面，使零件表層發生塑性變形，從而形成具有較高殘余壓應力的強化層，當零件承受載荷時由于壓應力的存在可以抵消一部分應力，從而提高零件的疲勞強度。其被廣泛應用于提高長期服役于高應力工況下金屬零件，如飛機引擎壓縮機葉片、機身結構件、汽車傳動系統零件等的抗疲勞屬性。A356鋁合金材料具有強度高、密度小的特點，能夠有效地減輕汽車自重，是實現汽車輕量化發展的重要材料，被廣泛應用于汽車制造業。

疲勞斷裂是A356材料制作零件的主要失效形式之一。有許多學者在關于噴丸強化對材料疲勞性能的影響等方面做了大量的研究。ZHAN K等研究了噴丸對材料表面特性的影響，證實噴丸處理能夠明顯改善材料的顯微組織及殘余應力，提高材料的疲勞強度。CHO K T等對噴丸處理鋁合金表面的硬化機理進行了試驗研究，表明噴丸處理能顯著提高鋁合金表面硬度。RODOPOULOS C A等研究了噴丸工藝對鋁合金高、低周疲勞壽命及裂紋擴展速率的影響，并使疲勞性能達到最優。榮祖蘭等研究了噴丸處理對試樣表面粗糙度與應力分布情況，評估了試件在低循環應力下高周疲勞壽命的增益效果，并得出對高強鋁合金試件進行表面噴丸強化處理可以引入表層高應力峰值、大深度的殘余壓應力，這對改善構件疲勞壽命非常有利。陳超等對經過高能噴丸處理后的7A52鋁合金表面進行了納米化機理分析，結果表明，7A52鋁合金表面納米級晶粒的形成機理主要是由于晶粒變形使晶內逐漸形成高濃度位錯，位錯的纏繞、塞積對基體晶粒進行了初步分割細化，在往復載荷的作用下最終在表面形成了等軸的隨機取向分布的納米級晶粒。本課題擬對A356鋁合金轉向節鑄件進行局部噴丸強化，探討不同噴丸時間和零件使用溫度對鑄件金相組織和力學性能的影響，分析表層殘余應力分布情況、顯微硬度以及觀察噴丸截面金相組織，掌握A356鋁合金鑄件在組織和力學性能上的變化規律，為噴丸工藝在提升鋁合金鑄件疲勞性能方面的合理應用提供參考。

1、試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用A356鋁合金轉向節鑄件（見圖1），通過光譜分析得到其化學成分（質量分數，下同）分別為7.0%的Si，0.35%的Mg，0.02%的Fe，0.053%的Ti，0.28%的Mn，余為Al。該鑄件成形工藝采用低壓鑄造，熱處理工藝采用T6處理。試樣表層殘余應力測量位置見圖1。

圖1:轉向節鑄件殘余應力測量點具體位置

1.2 試驗方法及過程

對A356鑄造鋁合金轉向節鑄件的兩條加強筋（分別稱為“長筋”和“短筋”）在生產現場進行表面噴丸處理，根據現場經驗，取噴丸時間30 min為實際應用參數，使用X-350A型X射線應力測定儀測定試樣噴丸前后表層殘余應力的變化情況。測試精度為±10 MPa，CrKα靶，衍射晶面為（222）。為減少試驗誤差，試樣在噴丸前后測量應力狀態時放置位置應完全相同。

使用X-350A型X射線應力測定儀分別對兩個已進行噴丸強化的相同轉向節進行表面應力測定，測定完成后將鑄件1在150 ℃下保溫1 h，鑄件2在100 ℃下保溫1 h，加熱處理之后進行空冷。待鑄件冷卻后再次對鑄件表面進行殘余應力測定（測定位置與初始測量位置相同）。測量完成后比較兩種狀態下試樣表面殘余應力的變化情況。
應力測量完畢后將轉向節鑄件中的兩條加強筋單獨截取出來并切割成獨立的試樣以便于顯微硬度測試，使用設備為維氏顯微硬度計，對進行噴丸處理前后的鋁合金表面及沿深度方向進行顯微硬度測量，每個位置測量3次取其平均值，試驗載荷為150 g，加載時間為15 s。

為了解噴丸時間對組織和性能的影響，分別取噴丸時間為0、5、10、15、20 min試樣的縱切面用砂紙依次進行打磨，將試樣磨至最小粒度后進行拋光處理，待縱切面拋光至鏡面般光滑后使用酒精溶液和5%的HF試劑進行浸蝕，處理完成后用NikonMA100型金相顯微鏡觀察從表面隨深度變化的組織分布及變化情況，對表面及沿深度方向進行顯微硬度測量，并且觀察試樣縱切面的顯微硬度從表層隨深度的變化情況。

2、試驗結果與分析

2.1 噴丸處理對A356鋁合金表層殘余應力的影響

表1為噴丸處理前后鑄件加強筋表面的殘余應力。由表1可見，在噴丸處理之前試樣表面處于應力正負交錯狀態，即拉應力和壓應力交錯狀態，有拉應力存在處可能成為潛在裂紋源，容易引起材料表面裂紋的形成，不利于材料的疲勞性能。與此形成鮮明對比的是，經過噴丸處理在試樣表面形成了較大的殘余壓應力，由噴丸引入的殘余壓應力通過削弱外加交變正應力中最大值，使材料實際承受的平均應力值下降，從而達到提高疲勞性能的效果[9]。另外殘余壓應力的增大還能夠增強材料剛度，提高材料的表面強度，也有助于延長其疲勞壽命。

表1:鑄件加強筋表面殘余應力

2.2 環境模擬加熱溫度對A356鑄造鋁合金噴丸層殘余應力的影響

兩種鑄件的應力測定情況匯總于見表2。由此可見，由于在進行加熱之前對試樣表面進行了噴丸處理，長、短筋表層普遍存在壓應力狀態，而經過加熱之后噴丸處理所帶來的壓應力狀態明顯消退，這是由于溫度升高使試樣表層應力狀態恢復為原始的拉應力狀態或拉壓應力交替存在狀態，拉應力的存在會降低表層試樣的強度和塑性，故這將不利于試樣的疲勞性能。為此噴丸后鑄件推薦在室溫或長時間受熱溫度不高（建議低于100 ℃）的環境下使用較為合適，這樣有利于保持鑄件局部的噴丸強化效果。

表2:不同鑄件加熱處理前后應力殘余應力值

2.3 噴丸處理對A356鋁合金表層截面組織及硬度的影響

表3為噴丸前后試樣表層的顯微硬度?？梢钥闯觯牧媳砻娴娘@微硬度在噴丸后有顯著提高，這是因為試樣表層經高能噴丸處理后形成了具有一定厚度的塑性變形層，并且在此變形層厚度范圍內試樣由表層隨深度增加其晶粒尺寸呈現由小到大梯度分布的趨勢，最表層晶粒預計將顯著細化，這主要是因為隨著距表面距離的增加，塑性變形更加強烈，位錯纏繞、塞積逐漸形成規則的位錯胞。隨著沖擊作用的不斷增強，以上過程在鋁合金表層變形區域反復進行，使得晶粒不斷細化，從而使表面硬度能夠得到明顯改善。同時由于合金表層的塑性形變，致使表層晶粒產生滑移，增加了亞晶粒內位錯密度（即表層晶粒的形狀和位置發生了變化），也有利于表面硬度的提高。這有助于材料服役性能的改善，將體現為工件的疲勞強度、抗沖擊磨損及抗應力腐蝕等性能的提高。

表3:噴丸前后試樣顯微硬度（HV）

隨后對噴丸處理的鑄件加強筋處取樣斷面進行顯微硬度測量，結果見圖2。結果表明，隨著從材料表層到心部硬度有逐漸下降的趨勢，推測這是由于噴丸處理而形成的強化層具有一定厚度（約幾十微米數量級），且隨著距表面距離的增加，噴丸強化效果逐漸減弱，直至消失。

圖2:材料表層隨深度方向的顯微硬度變化

圖3和圖4分別為噴丸處理前后兩種試樣表層的金相組織。通過對兩種試樣金相組織觀察可以發現，未經處理的合金中靠近表層區域共晶Si形狀不太規則，而經過噴丸處理后由于噴丸粒子對鑄件表面的高速撞擊使材料表層發生一定程度的塑性變形，而處于表層組織中的共晶Si組織也同樣因為噴丸粒子的撞擊發生變形，在外力的作用下由原來的不規則形狀逐漸變為接近球狀，可見噴丸處理可改善鑄件加強筋表層微觀組織。經過噴丸處理后材料表層組織的形貌發生變化，由最初的較圓滑邊界變為微觀凹凸不平邊界。與噴丸前試樣相比，噴丸后試樣接近表層部分組織變得較為均勻，這是因為經過噴丸處理使試樣表層晶粒發生變形，表層變得較為均勻緊實，而經過噴丸處理增加了表層組織的均勻性，原來組織中存在輕微共晶Si晶粒團聚的現象，通過噴丸處理使組織中團聚的部分得以碎化并使其細化，從而使更多的共晶組織均勻分布。且噴丸處理之后有更多的共晶Si均勻分布于表面，從表層沿深度變化共晶Si分布均勻性逐漸減弱，可見噴丸作用僅限于表層；另外可以發現噴丸前試樣組織中有輕微共晶Si聚集的現象，但經過噴丸處理之后共晶Si顆粒發生均勻化，且共晶Si顆粒更加細小。

圖3:噴丸處理前合金表層的金相組織

圖4:噴丸處理后合金表層的金相組織

2.4 噴丸時間的影響

不同噴丸時間下試樣表層至心部顯微硬度見圖5。可以看出，隨著測試位置距噴丸表層距離的增加，試樣硬度總體呈下降趨勢，且隨著噴丸時間的延長，使材料表層發生更加嚴重的塑性變形，使得材料噴丸層的硬度逐漸上升。但有研究指出，并不是噴丸時間越長越好，由于噴丸處理會導致材料表面粗糙度提高，因此在噴丸工藝參數相同的條件下，噴丸試件過長會導致表層塑性變形嚴重，使材料表面產生裂紋，影響材料的服役性能與疲勞壽命。由試驗數據可知在0~30 min內隨噴丸時間的增加材料表層硬度逐漸增加，在噴丸時間為30 min時可使表層硬度提高1.35倍，但考慮到工業生產需要及能源消耗問題，將噴丸時間繼續延長硬度增幅不明顯，這樣反而增加了能源與時間的損耗，降低生產效率，因此該零件在實際生產中建議噴丸時間取30 min左右。

圖5:不同試樣表層至心部顯微硬度變化情況

圖6和圖7分別為不同噴丸時間試樣的表層及心部的金相組織?？梢钥闯觯涍^噴丸處理后表層組織的共晶Si明顯減小，并隨著噴丸時間的增加，細化效果更加明顯，表層組織變得更加均勻，共晶Si晶粒變得更加細小均勻。噴丸處理能有效的細化組織，使共晶Si相分布均勻。由于噴丸時高速粒子對表層的撞擊作用會碎化粗大的共晶Si相，細化組織。

對單一試樣由于噴丸處理使組織表層發生塑性變形，共晶Si分布更加均勻，且隨著噴丸時間的延長金相表層組織的均勻性增加；對于噴丸時間不同的試樣，隨著噴丸時間的延長，表層的晶粒變得愈加細小，具有比心部更小且均勻的組織。

圖6:不同噴丸時間試樣金相組織（低倍）

圖7:不同噴丸時間試樣金相組織（高倍）

3、結 論

（1）通過局部噴丸處理可以改善A356鑄造鋁合金鑄件表面的組織和力學性能。

（2）A356鑄造鋁合金經過表面噴丸處理之后，會在表層形成殘余壓應力，形成具有一定厚度的塑性變形層，該變形層的形成能夠提高表層的硬度和塑性，改善疲勞性能；另外通過局部噴丸還可以明顯地細化表層組織中的共晶Si晶粒，使其形貌由粗塊狀轉變為細小蠕蟲狀或顆粒狀組織，使合金表層組織更加均勻細小。

（3）通過噴丸處理在表層形成的壓應力層在經過加熱之后原來的殘余壓應力會消失，恢復至拉壓應力交替存在的狀態。因此噴丸后鑄件推薦在受熱溫度較低的環境下使用較為合適（建議零件長時間使用溫度小于100 ℃），這樣有利于保持鑄件局部的噴丸強化效果。

（4）通過噴丸處理形成的塑性變形層具有一定厚度，且從表層至心部強化效果逐漸弱化。隨著噴丸時間的增加，合金表層硬度呈現逐漸上升的趨勢，但到后期繼續延長噴丸時間，硬度增加趨勢不明顯，反而會對材料表面產生損傷，增大表層應力集中傾向。

文章作者

高文杰 楊弋濤
上海大學材料科學與工程學院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第10期