45鋼表面增壓噴丸納米化及其耐磨性研究

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。 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，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 0.6 MPa，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 345 r/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。 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。 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。 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 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。

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。

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 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。

(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。

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