巴德瑪，馬世寧，孫曉峰，李占明

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系，北京100072)

表面納米化技術(shù)是一種新型的表面處理技術(shù)［1］，該技術(shù)可使基體自身表層形成納米晶結(jié)構(gòu)和較強的壓應(yīng)力，進而使零件表面的顯微硬度、抗接觸疲勞性能大幅提升，可有效提高零件基體表面的耐磨性能，減少疲勞裂紋的產(chǎn)生。表面機械加工法是實現(xiàn)金屬材料表面晶粒納米化較為有效和實用的方法［1-2］，目前已開發(fā)出機械研磨［2］、高能噴丸［3］、超聲沖擊［4］等技術(shù)。其中:機械研磨技術(shù)只適用于實驗室研究;高能噴丸技術(shù)能夠?qū)?fù)雜形狀和大面積金屬構(gòu)件進行表面處理，工作效率較高，但設(shè)備較復(fù)雜，處理后零件表面較粗糙，工藝控制較難，不適用于承載結(jié)構(gòu)件的使用;超聲沖擊技術(shù)制備的納米層粗糙度小，組織致密，但工作效率較低，且需要超聲發(fā)生裝備。本文研究了一種新型的表面納米化技術(shù)，即預(yù)壓力滾壓表面納米化技術(shù)，用以改善堆焊零件表面結(jié)構(gòu)不均勻問題。

1 預(yù)壓力滾壓設(shè)備與工作原理

表面機械處理法是在外加載荷的重復(fù)作用下，材料表面的粗晶組織經(jīng)過不同方向產(chǎn)生的強烈塑性變形而逐漸將晶粒碎化至納米量級。在不同方向載荷作用下產(chǎn)生的多系滑移和多系孿生變形均有助于加快納米化的進程，因此在技術(shù)設(shè)計時，應(yīng)盡可能地增加載荷的能量和接觸頻率，使其在不同的方向上產(chǎn)生應(yīng)力場。本文研究的車刀式預(yù)壓力滾壓設(shè)備根據(jù)上述表面機械處理法的基本原理所開發(fā)，主要用于對金屬零件表面進行晶粒細化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)備類似于普通車刀，無需外界能量輸入，只需卡在普通車床上即可對軸類堆焊修復(fù)零件進行表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該滾壓設(shè)備如圖1所示，主要由刀頭和刀體組成，刀頭由支撐滾柱和滾柱構(gòu)成，刀體內(nèi)置彈簧。工作時，刀頭部的滾柱與工件直接接觸完成對工件的滾壓，其中支撐滾柱用于固定頭部的小滾柱，刀體部的彈簧用于給滾柱施加預(yù)壓力。

圖1 預(yù)壓力滾壓設(shè)備工作示意圖

預(yù)壓力滾壓實現(xiàn)表面晶粒細化的原理類似于表面機械研磨法表面納米化的原理。外加載荷通過滾壓頭作用于材料表面，每次作用都會在材料表面附近產(chǎn)生一個應(yīng)力場，應(yīng)力場內(nèi)任何一個小體積元都會沿不同的方向產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)后續(xù)載荷作用在材料表面的不同位置時，新產(chǎn)生的應(yīng)力場內(nèi)的小體積元又會沿其他方向產(chǎn)生塑性變形，如圖2(a)所示。圖2(b)是對軸類零件滾壓時表面層應(yīng)力場，滾壓過程中相鄰軌跡形成的表面應(yīng)力場形成疊加，盡管材料的宏觀變形量很小，但是任何一個小體積元沿不同方向的微觀變形量總和非常大，通過這種特殊的塑性變形方式可以使材料表面附近的晶粒細化至納米量級［5-8］。

圖2 預(yù)壓力滾壓過程中表面附近區(qū)域的應(yīng)力場

2 技術(shù)應(yīng)用

2．1 試驗材料及方法

利用車刀式預(yù)壓力滾壓設(shè)備對堆焊零件修復(fù)層進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在堆焊層表面制備納米晶。利用Pk-127焊絲在45CrNi合金鋼圓軸表面制備堆焊層，堆焊層經(jīng)車床粗加工后，厚度約為1～2 mm。利用預(yù)壓力滾壓設(shè)備對堆焊層進行表面納米化處理，預(yù)壓力為1．8 ～2．1 kN，壓入量為0．4 mm，滾壓次數(shù)為3～6次。堆焊修復(fù)層經(jīng)預(yù)壓力滾壓表面納米化處理后表面粗糙度Ra由1．169降至0．173。

采用FEI公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM450型掃描電鏡觀察表面納米化前后試樣橫截面的組織形貌。利用JEOL-2100型透射電鏡觀察表面微觀結(jié)構(gòu)特征、晶粒尺寸及形貌。

2．2 試驗結(jié)果與討論

2．2．1 橫截面SEM形貌

圖3(a)為未加工堆焊層橫截面形貌，可見堆焊層為粗大的枝狀晶。圖3(b)為堆焊修復(fù)層經(jīng)滾壓處理后橫截面掃描電鏡圖，可見:在滾壓表面形成了明顯的塑性變形層，嚴重塑性變形層厚度約為15μm，在嚴重塑性變形層，原始堆焊修復(fù)層中的樹枝狀結(jié)構(gòu)已不存在，表面組織被明顯細化，最表面的組織細化最為嚴重，由表及里塑性變形的程度有所降低，呈現(xiàn)出階梯變化趨勢，這是利用表面機械加工法制備納米晶層的典型特征［9-11］。

圖3 堆焊層預(yù)壓力滾壓處理前后橫截面SEM形貌

2．2．2 納米晶層表面TEM觀察

利用透射電鏡顯微分析技術(shù)對堆焊熔敷層表面制備的納米晶層進行微觀結(jié)構(gòu)分析。圖4為試樣最表面納米晶層的TEM明、暗場像和相應(yīng)的SAED譜?？梢钥闯?在試樣表面形成了晶粒尺寸均勻分布的等軸納米晶，晶粒尺寸集中分布在幾納米至十幾納米的范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸在10 nm左右。明銳且連續(xù)的衍射環(huán)表明在衍射區(qū)域存在大量的晶粒，且彼此之間具有大角度、隨機的取向差。

2．2．3 表面納米晶層硬度

圖5為納米壓痕試驗中經(jīng)過表面納米化處理的堆焊試樣與普通堆焊試樣最表面層的載荷-深度曲線。可以看出:在相同的加載過程中，滾壓試樣表層的壓痕深度明顯小于基體的壓痕深度，由此可知滾壓加工后材料的硬度明顯提高。圖6為最大加載載荷為100 mN時測得的表面滾壓加工樣品的硬度隨距處理表面距離(深度)的變化曲線?？梢钥闯?最表面層的硬度值最高，約為1 450 Hv，彈性模量約為310 GPa;隨著深度的增加，硬度逐漸降低，在距表層10μm左右的區(qū)域內(nèi)硬度下降較快，此后硬度下降較緩慢，在大約30μm深度處硬度達到了基體的穩(wěn)定值，約為500 Hv，彈性模量為230 GPa。由上述觀察結(jié)果可以看出:樣品經(jīng)過表面納米化處理后，表層硬度提高，彈性模量增加，最表面層的硬度約為基體硬度的3倍。相關(guān)研究［12］表明:納米結(jié)構(gòu)層晶粒細化可能是使硬度提高的主要原因。

圖4 堆焊熔敷層/納米晶層最表面層TEM明、暗場像及SAED譜

圖5 表面納米化試樣與原始堆焊試樣在納米壓痕試驗中的載荷-深度曲線

圖6 表面納米化試樣在納米壓痕試驗中的硬度-深度曲線

3 結(jié)論

預(yù)壓力滾壓表面納米化技術(shù)通過在零件表面形成嚴重塑性變形層，借助位錯運動實現(xiàn)表面晶粒的細化。該技術(shù)所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，無需外接能源，操作方便，能夠在圓軸類金屬零件的外圓和端面制備厚度均勻的納米晶層。利用該技術(shù)在堆焊修復(fù)層表面制備了納米晶層，晶粒細化均勻，晶粒尺寸細小，最表面納米晶層的平均晶粒尺寸約為10 nm，最表面層硬度約為1 500 Hv，是基體材料硬度的3倍。該技術(shù)能夠使堆焊零件表面晶粒均勻化、細致化，表面硬度明顯提高，有利于改善零件表面的耐磨性和抗疲勞性能。

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