喷丸强化对回火态JIS SKD61热作模具钢性能有何影响？

热疲劳导致的裂纹是热作模具钢最常见的问题之一。喷丸处理技术被广泛应用于各个领域，它能够显著提升模具的强度和抗疲劳能力。本研究探讨了喷丸处理对JIS SKD61热作模具钢在回火状态下的组织结构及力学特性的影响，并选取了硬度值为510HV0.05的非喷丸处理试样作为基准，进行了热疲劳实验。电镜扫描结果显示，喷丸处理后的样品表面呈现弹坑状，而靠近表面的组织区域则呈现出显著的加工硬化现象。针对喷丸处理强度分别为0.38mmA（常规喷丸处理）和0.46mmA（强化喷丸处理）的样品，其表面的显微硬度分别达到了大约720HV0.05和750HV0.05的水平。此外，常规喷丸处理和强化喷丸处理的样品在加工硬化深度方面，分别大约为20μm和30μm。喷丸处理后的试样在热疲劳性能方面表现出色，无论是裂纹的平均长度还是裂纹的分布密度，都显著优于未经喷丸处理的试样。然而，与普通的喷丸试样相比，采用高强度喷丸处理的试样在热疲劳性能上并未观察到明显的提升。

1、引言

JIS SKD61钢具备出色的淬透性和尺寸稳定性，同时拥有较高的韧性和优良的热稳定性。在压铸生产过程中，模具钢会被熔融的铝、镁等金属液体加热，随后通过循环水、脱模剂和空气进行冷却。这种冷热交替的循环会引发热应力，进而导致模具发生塑性变形，并可能引发热裂纹的产生。热疲劳开裂是热作模具钢损伤机制中最为常见的一种形式。因此，热作模具钢必须具备出色的抗热疲劳特性、卓越的抗热冲击能力，以及显著的高温强度。

喷丸技术属于冷加工强化范畴，它能够在金属表面形成具有残余压应力的层状结构，进而对金属的机械特性产生影响。此工艺通过使用弹丸（这些弹丸呈球形，由金属、玻璃或陶瓷等材料制成）以足够的冲击力作用于材料表面，从而引发塑性变形。根据现有研究，经过喷丸处理后的H13钢，其抗热疲劳性能提高了20%。本项研究对喷丸处理技术对JIS SKD61热作模具钢的力学特性及其热疲劳性能的改善效果进行了综合评估。

2、实验

JIS SKD61型热作模具钢的化学成分详细数据可查阅下表。样品系由圆形钢棒截取而成，其加工尺寸为直径25毫米、长度50毫米。所有样品均经过加热至1025摄氏度以实现奥氏体化，并保温20分钟，之后实施真空淬火及回火处理。在回火环节中，未进行喷丸处理的样品作为基准材料，而其他样品则接受了喷丸处理。

使用A型阿尔门试片对喷丸强度进行测试，具体喷丸工艺参数包括：喷丸压力设定为0.2MPa，喷丸角度为90°，喷枪与样品表面的距离保持在110±10mm范围内，喷丸介质选用的是直径为1.1±0.2mm的钢丸，其硬度介于62±2HRC之间。对于0.38mmA和0.46mmA两种喷丸强度，其覆盖率分别达到了200%和400%。试样及其处理方法的具体信息详见下表。

热疲劳试验所用的设备通过感应加热的方式进行，试验所涉及的装置图解详见图示。为重现压铸过程中的环境，特设计了一个由铜管构成的环形线圈，其上设有小孔以便喷出水流进行冷却。在加热区域，试样的表面温度峰值可达约700摄氏度，而在冷却区域，最低温度则约为200摄氏度。在本项研究中，热疲劳试验共进行了3000个循环。

热疲劳实验设备示意图

实验完成之后，我们采用光学显微镜以及扫描电子显微镜对样本表面的热裂纹形态和接近表层的裂纹扩散现象进行了详细的分析。这一研究揭示了样本在热疲劳作用下的性能差异，包括裂纹的平均长度和裂纹的密集程度。此外，我们还运用维氏显微硬度计对所有样本在热循环处理后的显微硬度分布进行了测量。

3、结果与讨论

3.1 喷丸层特性

SSP试样的外观形态如图(a)所展示，其表面呈现出火山口状的凹坑，这些凹坑是由喷丸处理产生的。同样，TSP试样的表面也呈现出相似的形态。通过观察SSP试样的横截面，我们可以看到，在材料表层下方存在一个严重的塑性变形和加工硬化区域，如图(b)所示，这一区域可以明显地与基体（等轴晶粒）在微观结构上的不同进行对比，观察到加工硬化区（晶粒拉长）与基体之间的差异。众所周知，喷丸处理引起的塑性变形会导致残余应力的产生，其中，表面所承受的最大残余压应力与所采用的喷丸强度密切相关。在TSP试样的对比中，SSP试样由于采用了更强的喷丸强度，因而能够实现更高的表面残余压应力值。

SSP试样的表面形貌（a）和截面微观组织（b）

截面显微硬度分布图展示了不同喷丸强度试样的硬度情况。随着喷丸强度的提升，显微硬度也随之上升。具体来看，SSP和TSP试样的表面显微硬度分别为750HV0.05和720HV0.05。此外，SSP和TSP试样的加工硬化深度大致在30μm和20μm左右。研究结果显示，与TSP试样相比，SSP试样的塑性变形区域更为显著，而经过多次喷丸处理，加工硬化区域的位错密度也随之增加。

SSP和TSP试样的截面硬度梯度分布

3.2 表面裂纹

热疲劳实验处理后，喷丸处理与未处理的试样表面形态如图所示。在经历了3000次循环的热疲劳加载后，未进行喷丸处理的试样表面显现出裂纹（以黑色区域标示）及氧化物，如图(a)、(d)所示。这些氧化物是在试样表面及裂纹扩展区域形成的，故在试样表面以下生成的氧化物并未被抛光过程所去除。因此，图(b)中的灰色区域，它所展示的是裂纹的宽度；图(c)中的灰色区域，则揭示了裂纹表面的氧化物。

3000次热疲劳试验循环后的表面裂纹状态：

(a)未经抛光的NP、(b)经过抛光处理的NP、(c)抛光处理后的TSP

(d)图(a)所示位置的能谱

NP试样的主裂纹宽度最大仅为0.3毫米，并且细小裂纹遍布。经过热疲劳试验的TSP试样，其内部也出现了细微裂纹。在热疲劳试验后的喷丸试样中，观察到的是宽度较窄、面积较小的裂纹，如图所示。这一现象表明，喷丸处理有效地抑制了热作模具钢热裂纹的生成与扩散。在试验的初始阶段，所产生的高温应力能够被喷丸处理后的试样表面残留的压应力所抵消，裂纹的形成则因弹坑间的塑性变形而得到推迟，随后，随着热循环次数的累积，裂纹将在晶粒间的组织结构中逐渐扩散。

3.3 裂纹长度与裂纹密度

观察图示，可明显辨识出典型的陷阱型热裂纹；截面显微图像揭示了裂纹的延伸路径是垂直于材料表面的，而非呈枝状分布。此类热裂纹在经历3000次热循环后，便在材料表面形成；在热疲劳试验中，裂纹持续暴露于700℃的高温空气中。通过扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）的分析，发现试样及裂纹表面均有氧化铁的生成，尤其是在NP试样中更为显著。与TSP和SSP试样相较，NP试样的裂纹边缘有较厚的氧化铁层，据此可以推测NP试样中的裂纹产生时间较早。在TSP和SSP试样中，裂纹的形态较为狭窄，尤其是SSP试样中未见明显的氧化物，这一现象表明喷丸处理对于抑制裂纹的生成起到了积极作用。

3000次热疲劳循环的试样截面裂纹形貌：

(a)NP、(b)TSP和(c)SSP

在深入探讨截面裂纹形态之后，进一步对裂纹的平均尺寸及其分布密度进行了评估。经过3000次的热循环测试，不同处理方法的试样表面呈现出了两种典型的裂纹特征，具体如图所示。其中，NP、TSP以及SSP试样的平均裂纹长度依次为270μm、195μm和175μm。相较之下，TSP试样的平均裂纹长度较NP试样降低了28%。然而，SSP试样的平均裂纹长度相较于TSP试样仅降低了大约10%，具体可参考下图(a)。同时，TSP试样的裂纹密度比NP试样减少了大约50%。并且，SSP试样的抗热疲劳性能优于TSP试样，这一点在图(b)中有所体现。由此可知，喷丸处理所引入的残余压应力能够有效遏制裂纹的产生和扩散。

NP、TSP和SSP试样经3000次热疲劳

试验后的平均裂纹长度(a)和裂纹密度(b)

3.4 热疲劳后的硬度分布

图中展示了经过3000次热疲劳试验循环的TSP和SSP试样显微硬度分布。观察发现，当温度升至700℃时，所有喷丸试样的表面硬度均出现软化现象。在700℃条件下完成3000次循环后，TSP和SSP试样的原始表面硬度大致降至400至450HV0.05之间。随着与材料表面距离的增加，硬度呈现出逐渐升高的趋势。SSP试样的硬度从表层至内部均高于TSP试样，尽管这种差异并不显著。这一现象揭示了喷丸处理能够增强材料表面的强度，并有效减少热疲劳导致的软化，从而显著提升材料对热疲劳的抵抗能力。

3000次热疲劳试验循环后TSP

和SSP试样的显微硬度分布图

4、结论

对试样截面的微观硬度进行测量，结果显示SSP和TSP试样的表面微观硬度值分别达到了750HV0.05和720HV0.05。同时，SSP和TSP试样的加工硬化层深度大致为30μm和20μm。在经历3000次热疲劳循环之后，NP试样表面出现了树枝状形态的裂纹扩展，而TSP试样则显现出晶粒内部的细小裂纹扩展。喷丸试样的裂纹宽度较窄，裂纹面积较小。

NP试样的裂纹出现时间相较于TSP和SSP试样要早，TSP试样的裂纹密度则减少了大约一半。这一现象表明，喷丸工艺能够显著提升材料的力学性能，并且残余压应力有助于有效推迟表面裂纹的产生。

Shu-Hung Yeh，Liu-Ho Chiu，Tao-Liang Chuang，Cheng-Yen Wu所著，《JIS SKD61热作模具钢的喷丸处理热疲劳行为评估》一文，发表于2013年《材料科学进展》第54卷第6期，页码为1053至1056。

翻译：王昕宇

审核：计杰

排版：姜天

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