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45钢表面增压喷丸纳米化及其耐磨性研究

采用增压喷丸方式对 45 钢进行表面处理,在材料表面制得纳米结构表层,利用 SEM、TEM、 XRD 等 方法对纳米结构表层进行了观察与分析,采用盘-销式摩擦磨损试验机研究了纳米化前后表面的磨损性能。 结果 表明:增压喷丸使 45 刚表面发生严重的塑性变形,变形厚度约 30 μm,表层纳米晶尺寸约 65 nm,硬度比基体提 高 2 倍;在低载油润滑条件下 45 钢表面纳米化后表现出优异的耐磨性能。

表面纳米化的金属块体材料,通过表面组织和 性能的优化提高了材料的整体性能和服役行为。 在纳米晶体的制备方面, 自从 20 世纪 80 年代 Gleiter 等人首次采用金属蒸发-原位冷压成型法 制备出纳米晶体样品以来,相继发展了机械研磨 法、非晶晶化法、各种沉积法、剧烈塑性变形法(如 超声喷丸、超音速喷丸)等多种方法,必须指出 的是,上述方法中部分不适用于整体材料的纳米 化加工, 部分难于满足实际生产的要求。 为了加 速表面纳米化技术的实用化进程,本文在普通气 动喷丸设备上增加增压系统, 采用增压喷丸方式 在块体材料 45 钢表面获得纳米晶层,有望应用于 生产实际。 块体材料表面纳米化后, 能否提高其摩擦磨损性能是我们关注的一个重要方面 (对于 汽车轮胎模具来讲, 表面纳米化之后耐磨性能是 尤为重要的一个方面),因此,研究纳米表面的摩 擦磨损性能也是实际生产的需要。

1 实验材料及方法

实验材料为退火态 45 钢, 尺寸为 100mm× 100mm×15mm。 采用增压喷丸对 45 钢表面进行 纳米化处理,喷丸前用丙酮和酒精清洗。所用设备为 1010FK 型增压喷丸实验机,弹丸为 准1mm 的不锈 钢丸,喷丸压力为 0.6 MPa,喷丸时间为 25min。

采用 MVK-H3 型显微硬度计测量喷丸前后 的硬度,加载砝码 50g,加载时间 15s。 用 SEM 对 横截面进行形貌分析, 观察变形层厚度。 在 XD-2X 型射线衍射仪上对喷丸前后的样品进行 结构参量的表征, 根据 Scherrer-Wilson 方程[5-6], 近似计算出平均晶粒尺寸, 再利用 H800 型透射 电镜(TEM)进一步证实。

摩擦磨损实验所用设备为 MPx-2000 型盘- 销式摩擦磨损试验机, 主轴转速 345 r/min, 载荷 10N,10# 机油润滑,在室温条件下进行。 摩擦副为 退火态 45 钢。 进行磨损实验前用酒精清洗试样, 利用失重法比较原始样品与喷丸后样品的磨损 量, 并结合扫描电镜进行形貌观察并分析其摩擦 磨损机制。 磨损质量损失用精度为 0.1mg 的 ANDHR-200 型电子天平称测量。

2 实验结果与分析

2.1 表层结构

图 1 为喷丸处理后, 在 SEM 下观察到的横截面组织。 可见,45 钢表层发生严重的塑性变形, 形成了流变组织并沿厚度方向由表及里逐渐减弱到无变形区。其微观机理是:表层流变组织的形成 与 45 钢的较高层错能有关,高层错能金属以位错 运动为主。在多方载荷的重复作用下,随着应变的 不断增加,位错通过滑移、积累、交互作用、湮灭和 重排等形成位错墙和位错缠结;随着应变的增加, 为了降低系统能量, 位错墙和位错缠结发展成亚 晶界;应变量继续增加,则更多的位错在亚晶界处 产生和湮灭,使得晶界两侧取向差不断增大,晶粒 取向也趋于随机分布;随着应变的进一步增加,碎 化亚晶或晶粒内部也会产生位错墙和位错缠结, 进一步碎化, 当位错产生和湮灭的速率达到平衡 时,应变的增加将不再导致晶粒尺寸的继续下降, 晶粒尺寸也相应达到了稳定值。 所以只有应变 增加到一定程度,才能获得纳米晶组织。 最表面的 严重变形层组织结构发生了明显的细化, 组织形态 也与基体明显不同,见图 1。 通过 SEM 已经不能分 辨出原铁素体和珠光体组织及其晶粒的边界。

喷丸样品
喷丸样品

表面硬度随距表面距离的变化见图 2。 可以 看出,与基体硬度相比,表面硬度提高了 2 倍。 硬 度的变化规律:由纳米晶层到亚微晶层,硬度逐渐 减小,并逐渐趋于稳定,这与横截面塑性变形规律 基本吻合。 硬度的提高是由于在外加载荷的往复 作用下, 材料表层发生强烈的塑性变形所引起的 晶粒细化及在材料内部引入微观应变的缘故。

喷丸距离和硬度变化
喷丸距离和硬度变化

图 3 为 45 钢喷丸前后几个晶面的 X 衍射图 谱(步进扫描)。 可以看出,喷丸处理后样品表面的 X 射线衍射线形发生了明显宽化。 一般认为 Bragg 衍射峰宽化是晶粒细化、 微观应变增加和 仪器宽化三方面作用的结果。 扣除衍射背底并经 仪器宽化修正后, 利用物理宽化峰的积分宽度 (β),根据 Scherrer-Wilson 方程可近似计算出样品 表层的平均晶粒尺寸约为 65nm。 利用 XRD 测量 的晶粒尺寸反映的是 X 射线穿透深度内的平均 晶粒尺寸(穿透深度为 5~10μm),且其准确度随 衍射线宽化程度的降低而降低。 因此表面层的晶 粒尺寸及其随深度的变化还需要用 TEM 进行进 一步的分析和证实。

喷丸前后衍射对比
喷丸前后衍射对比

从 TEM 暗场像(图 4)可以看出,表层组织转 变为等轴状纳米晶, 而且其相应选区的电子衍射花环(图 5)表明,纳米晶的取向呈随机分布,进一步证实了 XRD 的结果。

图像
图像

2.2 耐磨性

图 6 为 45 钢表面喷丸前后的表面磨损质量损失随时间的变化。可看出,磨损质量损失均随磨损时间的延长而增大,但在开始阶段(1h 之前)原始样品的磨损速率明显大于喷丸纳米化的样品。

喷丸前后耐磨分析
喷丸前后耐磨分析

原始样品的磨损速率在 1h 后基本稳定, 而纳米化后的样品在 2h 之后逐渐趋向稳定。 原始样品在开始时磨损速率高可能受表面粗糙度的影响,随时间的延长磨损系数趋于稳定, 磨损速率也就趋于稳定。 从图中还可看出,随磨损时间的延长,表面纳米化后样品的磨损质量损失明显低于原始 样品,说明在低载荷和润滑条件下,表面纳米化提 高了样品的耐磨性能。

图 7 是原始样品和纳米化样品在润滑条件下 摩擦 5h 后的表面形貌。 可看出,原始样品表面的 磨损痕迹比较明显,有磨损脱落的痕迹,出现较大 的犁沟和凹坑;纳米化的样品表面虽有磨损痕迹, 但犁沟明显少而窄,凹坑少而小。因为纳米表面具 有较高的硬度和表面活性,在润滑条件下,好的表 面活性能够更好地吸附润滑油形成油膜。 在低载 荷下,油膜可以很好地保持,因此纳米化之后磨损 表面质量明显优于原始样品。

图像
图像

3结论

(1) 采用增压喷丸方式可使 45 钢表面获得约 30μm厚的纳米晶层,表面硬度比基体提高 2 倍。

(2) 纳米化之后由于表面硬度高,在载荷10N、 10# 机油润滑的条件下,表现出良好的耐磨性能。

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