45钢表面增压喷丸纳米化及其耐磨性研究

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。

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。

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。

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。

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。

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。