第十五期 铸钢丸的尺寸及其变化性
发布时间:2017/3/25 11:55:20

引 言                                                                                                        

    铸钢丸最重要的指标就是尺寸。铸钢丸的尺寸是喷丸强度、覆盖率和硬化层深的重要影响因素。因此,丸料尺寸的变化性也是很重要的因素。在规范SAE J444和AMS 2431中,指定采用筛分的方式确认铸钢丸的尺寸。因此,基于筛网的目数我们可以得到铸钢丸的名义尺寸。同时,铸钢丸的尺寸也可以用球体的直径来表示。采用球体直径表征的方式是比较方便的,这是因为(a)铸钢丸是近似球形的,(b)球体的形状特征仅有一个尺寸,即球体的直径。如果用球体直径表征丸料尺寸,那么需要使用“近似球体”的概念。

    一个丸料和它的“近似球体”具有同样的体积(因此也具有同样的质量)。图1显示了筛网间隙和等球体之间的尺寸差异,这种尺寸差可以作为筛分丸料尺寸的方法。

 

图1 尼龙筛网上的铸钢丸


    铸钢丸的尺寸分布是相当广的。图2为SAE J444规范中的铸钢丸的尺寸分布范围。钢丸的型号为S+数字,尺寸分布符合SAE J444的规定。

    每种名义尺寸都有相应的直径分布范围,这个范围是与制造和筛分铸钢丸的方法相关的。在SAE J444规范中规定了每种铸钢丸的尺寸分布范围。铸钢丸尺寸分布范围越大,对受喷零件潜在影响的不确定因素越多。另一方面,如果铸钢丸的尺寸分布越小,那么其制造和丸料维护成本就越高。但是,在不考虑单个规范的特定含义的情况下,我们倾向于这样理解:规范的存在就是为了使用户相信产品是符合相关标准的。


 

图2 根据J444 标准规定的丸料名义尺寸绘制的近似球体


    所有的喷丸规范都是基于特定参数的定义、测量方法和变化量范围而制定的。以上三个因素都应该清晰地规定并尽可能没有异议。

    新的和使用过的钢丸的尺寸分布是不相同的。任何型号的钢丸在使用之后由于磨损的原因尺寸都会变小。使用后的铸钢丸会包含已经磨损的钢丸和新添加的钢丸,其中由于磨损而变小的钢丸占有一定的比例。“原始钢丸”和“维护钢丸”就是区分两种状态的钢丸。“维护钢丸”的尺寸分布状态可以用几种型号的“原始钢丸”混合方式进行模拟。例如,S230的“维护钢丸”可以用S110、S170和S230的“原始钢丸”以一定的比例混合的方式进行模拟。


丸料的名义尺寸

    丸料的名义尺寸就是每种型号丸料的平均尺寸的表达方式。如果我们假设每种丸料的形状都是球形,而且密度为7860Kg/m3,那么我们可以计算丸料的平均质量,如表1所示。

    一般把样品的重量定义为100g,也许有人对不同型号的100g丸料包含多少个丸粒感兴趣。不同规格丸料的数量从几百万到几千不等,这主要与丸料的尺寸有关。喷丸设备中一直循环使用的100Kg的S110铸钢丸竟包含了10亿个丸粒!


  表1 采用“近似球体”原则从J444标准得到的名义丸料尺寸

 

丸料的变化性

    铸钢丸的名义尺寸是一个确定的值,然而在实际中铸钢丸的尺寸却是一个范围值。这个范围取决于丸料的变化性和筛分方法。

    铸钢丸是采用钢液直接制造的,这种制造方法是造成丸料尺寸变化性的主要原因。把钢液从钢水包中倒入高压水射流中,水射流会把钢液冲散成小的熔滴,熔滴固化后就变成了丸粒。熔滴在固化的过程中会通过减小表面积体积比的方式尽力降低表面能。而球形就是具有最小的表面积体积比。因此,铸钢丸的颗粒都近似于球形。图3显示了通过一满杓钢可以制造的钢丸的可能分布范围。图中的曲线和“正态分布”曲线很相似。该曲线的平均值可以通过一些手段进行控制,例如调整水流的速度和形态。平均值的变化性可以通过方差进行定量表征(标准差的平方)。



图3. 铸钢丸的尺寸变化类型


    质量与尺寸的变化关系如图3所示,该图中只包含了一部分常见的丸料型号(例如S110、S170和S230)。由于水淬火状态的金属材料非常的脆,因此,丸料制造过程的砂料部分非常容易碎。但是通常情况下,把丸料和砂料粗筛分离之前,所有的丸料和砂料都会进行分级,然后进行奥氏体化和淬火。然后对丸料部分进行回火和细筛分,以产生满足规范的不同型号的丸料。

    通过细筛分的方法可以把丸料分为符合标准的不同的型号。细筛分的方法是制造商的机密。图4显示了符合J444标准要求的可能的筛分方法。例如,对于S70的丸料,通过筛分的方法使其通过0.355mm的筛网,不通过0.125mm的筛网。这就会满足J444标准中的“0.425mm的筛网全通过,0.355mm的筛网上最多留存10%,0.180mm的筛网上最少80%,0.125mm的筛网上最少90%”。图4中关于S110、S170和S270丸料的相关筛分范围也是符合J444要求的。

 

图4. 对于铸钢丸的筛分筛网选择


    每种型号的丸料都会包含一定的尺寸范围。对于图3中描述的S70铸钢丸,其丸料直径范围为0.125mm到0.355mm。一个丸粒的质量是其体积乘以钢铁的密度。体积为πd3/6(d为直径)。因此质量的范围是直径范围的3次方。以之前讲到的S70丸料为例,其质量分布范围为(0.355/0.125)3到1。对于S110的丸料,质量分布范围为2.8到1,S170是2.9到1,S230是1.7到1。如果丸料制造商要制造更为精细的S70的钢丸,那么S70钢丸范围的下限要提升到0.180mm,同样也是满足规范J444。对于精细的S70,其质量范围为7.7到1.


尺寸测试方法

    一种典型的丸料尺寸测试方法就是在每批丸料中抽取100g的样品,采用一系列标准筛进行筛分然后对每层筛网上的丸料进行称重。这种测试方法包含了几种变化性。首先就是丸料样品本身,样品是从一大批丸料中选取的一小部分,选取的丸料具有随机性。目前已经有多种技术,例如“机械随机抽样”,已经能够保证所选取的样品具有合理的代表性。其次是我们把同一100g样品进行重复筛分测试,结果也会有不同,即使很轻微。最后,也是非常关键的就是筛网本身也具有变化性。即使拿一个质量最高的筛网,那么它的不同网口的孔径也存在差异。随着使用时间的增加,筛网的磨损会进一步加剧,也会增加孔径的差异性,同时会造成孔径的平均尺寸进一步加大。值得注意的一点就是,100g丸料中的丸粒数目非常的多,例如,100g的S110铸钢丸具有大约一百万个丸粒。

    规范中关于尺寸变化性的信息相对有限,如图5所示。关于丸料筛分的信息,AMS 2341标准规定对于每一种型号的丸料使用5层或4层筛网(根据丸料