凯发国际娱乐官网入口 鋼表面增壓噴丸納米化及其耐磨性研究

摘要：采用增壓噴丸方式對45鋼進行表面處理，在材料表面制得納米結構表層，利用SEM、TEM、XRD等方法對納米結構表層進行了觀察與分析，采用盤－銷式摩擦磨損試驗機研究了納米化前后表面的磨損性能。結果表明：增壓噴丸使45剛表面發生嚴重的塑性變形，變形厚度約30μm，表層納米晶尺寸約65 nm，硬度比基體提高2倍；在低載油潤滑條件下45鋼表面納米化后表現出優異的耐磨性能。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
關鍵詞：增壓噴丸；表面納米化；45鋼；耐磨性

表面納米化的金屬塊體材料，通過表面組織和性能的優化提高了材料的整體性能和服役行為[1]。在納米晶體的制備方面，自從20世紀80年代Gleiter等人首次采用金屬蒸發-原位冷壓成型法制備出納米晶體樣品以來，相繼發展了機械研磨法、非晶晶化法、各種沉積法、劇烈塑性變形法(如超聲噴丸、超音速噴丸)等多種方法[2-4]，必須指出的是，上述方法中部分不適用于整體材料的納米化加工，部分難于滿足實際生產的要求。為了加速表面納米化技術的實用化進程，本文在普通氣動噴丸設備上增加增壓系統，采用增壓噴丸方式在塊體材料45鋼表面獲得納米晶層，有望應用于生產實際。塊體材料表面納米化后，能否提高其摩擦磨損性能是我們關注的一個重要方面(對于汽車輪胎模具來講，表面納米化之后耐磨性能是尤為重要的一個方面)，因此，研究納米表面的摩擦磨損性能也是實際生產的需要。
1實驗材料及方法
實驗材料為退火態45鋼，尺寸為100mm×100mm×15mm。采用增壓噴丸對45鋼表面進行納米化處理，噴丸前用丙酮和酒精清洗。所用設備為1010FK型增壓噴丸實驗機，彈丸為準1mm的不銹鋼丸，噴丸壓力為0.6MPa，噴丸時間為25min。
采用MVK-H3型顯微硬度計測量噴丸前后的硬度，加載砝碼50g，加載時間15s。用SEM對橫截面進行形貌分析，觀察變形層厚度。在XD-2X型射線衍射儀上對噴丸前后的樣品進行結構參量的表征，根據Scherrer-Wilson方程[5-6]，近似計算出平均晶粒尺寸，再利用H800型透射電鏡(TEM)進一步證實。

摩擦磨損實驗所用設備為MPx-2000型盤-銷式摩擦磨損試驗機，主軸轉速345r/min，載荷10N，10#機油潤滑，在室溫條件下進行。摩擦副為退火態45鋼。進行磨損實驗前用酒精清洗試樣，利用失重法比較原始樣品與噴丸后樣品的磨損量，并結合掃描電鏡進行形貌觀察并分析其摩擦磨損機制。磨損質量損失用精度為0.1mg的ANDHR-200型電子天平稱測量。
2實驗結果與分析
2.1表層結構
圖1為噴丸處理后，在SEM下觀察到的橫截面組織。可見，45鋼表層發生嚴重的塑性變形，形成了流變組織并沿厚度方向由表及里逐漸減弱到無變形區。其微觀機理是：表層流變組織的形成與45鋼的較高層錯能有關，高層錯能金屬以位錯運動為主。在多方載荷的重復作用下，隨著應變的不斷增加，位錯通過滑移、積累、交互作用、湮滅和重排等形成位錯墻和位錯纏結；隨著應變的增加，為了降低系統能量，位錯墻和位錯纏結發展成亞晶界；應變量繼續增加，則更多的位錯在亞晶界處產生和湮滅，使得晶界兩側取向差不斷增大，晶粒取向也趨于隨機分布；隨著應變的進一步增加，碎化亞晶或晶粒內部也會產生位錯墻和位錯纏結，進一步碎化，當位錯產生和湮滅的速率達到平衡時，應變的增加將不再導致晶粒尺寸的繼續下降，晶粒尺寸也相應達到了穩定值[1]。所以只有應變增加到一定程度，才能獲得納米晶組織。最表面的嚴重變形層組織結構發生了明顯的細化，組織形態也與基體明顯不同，見圖1。

圖1噴丸樣品表面橫截面組織

通過SEM已經不能分辨出原鐵素體和珠光體組織及其晶粒的邊界。表面硬度隨距表面距離的變化見圖2。

圖2增壓噴丸樣品硬度隨距離的變化

可以看出，與基體硬度相比，表面硬度提高了2倍。硬度的變化規律：由納米晶層到亞微晶層，硬度逐漸減小，并逐漸趨于穩定，這與橫截面塑性變形規律基本吻合。硬度的提高是由于在外加載荷的往復作用下，材料表層發生強烈的塑性變形所引起的晶粒細化及在材料內部引入微觀應變的緣故。

圖3.樣品噴丸前后的X-ray衍射圖譜

圖3為45鋼噴丸前后幾個晶面的X衍射圖譜(步進掃描)。可以看出，噴丸處理后樣品表面的X射線衍射線形發生了明顯寬化。一般認為Bragg衍射峰寬化是晶粒細化、微觀應變增加和儀器寬化三方面作用的結果。扣除衍射背底并經儀器寬化修正后，利用物理寬化峰的積分寬度(β)，根據Scherrer-Wilson方程可近似計算出樣品表層的平均晶粒尺寸約為65nm。利用XRD測量的晶粒尺寸反映的是X射線穿透深度內的平均晶粒尺寸(穿透深度為5～10μm)，且其準確度隨衍射線寬化程度的降低而降低。因此表面層的晶粒尺寸及其隨深度的變化還需要用TEM進行進一步的分析和證實。

圖4.噴丸后樣品表面的TEM暗場像

從TEM暗場像(圖4)可以看出，表層組織轉變為等軸狀納米晶，而且其相應選區的電子衍射花環(圖5)表明，納米晶的取向呈隨機分布，進一步證實了XRD的結果。

圖5.暗場像相應區的電子衍射花環

2.2耐磨性
圖6為45鋼表面噴丸前后的表面磨損質量損失隨時間的變化。可看出，磨損質量損失均隨磨損時間的延長而增大，但在開始階段(1h之前)原始樣品的磨損速率明顯大于噴丸納米化的樣品。原始樣品的磨損速率在1h后基本穩定，而納米化后的樣品在2h之后逐漸趨向穩定。原始樣品在開始時磨損速率高可能受表面粗糙度的影響，隨時間的延長磨損系數趨于穩定，磨損速率也就趨于穩定。從圖中還可看出，隨磨損時間的延長，表面納米化后樣品的磨損質量損失明顯低于原始樣品，說明在低載荷和潤滑條件下，表面納米化提高了樣品的耐磨性能。

圖6磨損質量隨時間的變化

圖7.噴丸前后樣品的表面磨損樣貌

圖7是原始樣品和納米化樣品在潤滑條件下摩擦5h后的表面形貌。可看出，原始樣品表面的磨損痕跡比較明顯，有磨損脫落的痕跡，出現較大的犁溝和凹坑；納米化的樣品表面雖有磨損痕跡，但犁溝明顯少而窄，凹坑少而小。因為納米表面具有較高的硬度和表面活性，在潤滑條件下，好的表面活性能夠更好地吸附潤滑油形成油膜。在低載荷下，油膜可以很好地保持，因此納米化之后磨損表面質量明顯優于原始樣品
3結論
(1)采用增壓噴丸方式可使45鋼表面獲得約30μm厚的納米晶層，表面硬度比基體提高2倍。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
(2)納米化之后由于表面硬度高，在載荷10N、10#機油潤滑的條件下，表現出良好的耐磨性能。