劉曉初，吳子軒※，梁忠偉，吳 俊，范立維，耿 晨，謝鑫成，黃偉鋒，危 珊

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州510006；2.廣州大學廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州510006；3.廣州大學廣東省強化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心，廣州510006；4.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州510006）

0 引言

材料的摩擦腐蝕是一種摩擦磨損和化學腐蝕雙重因素耦合作用的結(jié)果，并且摩擦腐蝕導致材料的損失遠大于摩擦磨損和化學腐蝕各自損失之和，這是一種復雜的失效形式[1-2]。GCr15軸承鋼主要用于制作軸承、滾珠等核心部件，在海洋制備、化工機械、石油裝備等行業(yè)上得到廣泛運用。由于材料經(jīng)常與腐蝕介質(zhì)接觸，且經(jīng)常出現(xiàn)在腐蝕環(huán)境下發(fā)生摩擦磨損，因此對材料的耐摩擦腐蝕性能是一種嚴峻的考驗。

強化研磨技術(shù)是一種表面射流強化改性微納加工技術(shù)，是一種抗磨、抗腐、延壽的改性方法，其加工原理是通過高壓氣體帶動研磨粉、研磨鋼珠和改性液混合形成射流，并以高速高壓撞擊材料表面實現(xiàn)加工，使材料表面產(chǎn)生雙層復合結(jié)構(gòu)（類織構(gòu)層和強化層），從而提高了材料的耐摩擦、抗腐蝕、耐高溫、長壽命、高可靠性能[3-5]。本文在前期研究中，通過有限元仿真和試驗的方法驗證不同噴射時間下強化研磨處理的試樣的耐摩擦性能和抗腐蝕性能都有不同程度的提升[6-8]。但是強化研磨處理后試樣只在摩擦磨損或化學腐蝕單一環(huán)境下進行研究，而在腐蝕環(huán)境下受摩擦磨損這種復合環(huán)境的研究尚未有學者探索。這嚴重影響了海洋、化工機械、石油等重要裝備的使用壽命。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學者在材料表面改性加工技術(shù)上進行了大量的研究和實驗，例如噴丸、拋砂、SMRT、激光處理等[9-12]。但是由于表面改性技術(shù)的加工路徑不同，從而導致了表面形貌、殘余應(yīng)力發(fā)布、組織結(jié)構(gòu)等特性存在很大差異，因此其腐蝕性能仍然存在很多的爭議[13]。Wang[14]對表面具有納米層的304不銹鋼放在3.5%NaCl溶液進行腐蝕，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)組織的晶粒細化、位錯密度上升可以提高材料的抗腐蝕性能。但是在通過機械滾壓技術(shù)加工304不銹鋼材料表面過程中，由于產(chǎn)生晶粒的細化、缺陷或表面污染等原因?qū)е铝丝垢g性能下降。而國內(nèi)外學者通過在各種摩擦工況（滑動、滾動、微動）進行大量的實驗，普遍認為材料表面組織細化、位錯密度上升、硬度提高可以提高材料的耐摩擦性能[15]，例如Qin[16]研究發(fā)現(xiàn)材料表面組織細化可以使其硬度得到提高，耐磨性能會比未細化的高。周蕾[17]發(fā)現(xiàn)GCr15軸承鋼隨著其表面晶粒尺寸不斷減少，材料的耐摩擦磨損性能呈先提高后減少的規(guī)律。另一方面，材料的摩擦腐蝕行為是由服役過程中摩擦磨損和化學腐蝕相互作用的結(jié)果，不是兩者的簡單疊加[18]，沈明學[19]通過SMRT處理361L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)材料表面晶體細化，可提高材料的耐摩擦腐蝕性能。黃博[20]通過在304不銹鋼上進行超音速火焰噴涂，分析材料表層硬度，分析硬度的提高可提升材料的抗摩擦腐蝕性能。然而，根據(jù)已發(fā)表的文獻，至今經(jīng)過強化研磨處理后GCr15軸承鋼在腐蝕介質(zhì)下磨損行為的研究未見報道。

本文探究了強化研磨不同噴射角度GCr15軸承鋼在腐蝕環(huán)境下的摩擦磨損行為，闡述了強化研磨不同噴射角度處理對材料的耐摩擦腐蝕性能的影響。對后續(xù)的GCr15軸承鋼摩擦腐蝕防護具有十分重大的研究意義。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗使用的試樣為GCr15軸承鋼板，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為C 0.98；Si 0.25；Mn 0.35；Mo 1.55；P 0.025；S 0.30；Ni 0.25；Cu 0.25，尺寸為110 mm×75 mm×10 mm。

1.2 強化研磨加工試驗

文中強化研磨加工試驗儀器為廣州大學先進制造研究院的強化研磨機，如圖1所示，加工示意如圖2所示。

圖1 強化研磨加工設(shè)備Fig.1 Strengthening grinding equipment

圖2 強化研磨加工Fig.2 Schematic diagram of strengthening grinding

以噴射角度為單一變量來進行參數(shù)設(shè)定，制定固定的技術(shù)參數(shù)和相關(guān)變量設(shè)計參數(shù)，如表1~2所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.2 Processing paramete

表2 變量參數(shù)Tab.2 Variable parameter

1.3 摩擦腐蝕試驗

在試驗前，將強化研磨加工后的試樣和未經(jīng)強化研磨加工的試樣運用線切割切成10 mm×10 mm×10 mm的方塊，然后使用酒精進行超聲清洗，冷風吹干，以備后續(xù)分析和測試。

使用往復式摩擦腐蝕試驗機（圖3），其中對磨練件選用4 mm的YG6碳化鎢鋼球，將試樣放在3.5%NaCl腐蝕介質(zhì)下，進行往復式摩擦磨損。試驗條件為室溫環(huán)境，法向載荷Fn=80 N，位移幅度3 mm，摩擦歷程7 200 s，往復頻率50 Hz。在摩擦腐蝕試驗前后，都需清洗干凈試樣，且放置電子天平上測量其質(zhì)量，從而計算出磨損量。

圖3 往復式摩擦腐蝕試驗機Fig.3 Reciprocating friction and corrosion tester

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 強化研磨后工件表面粗糙度分析

如圖4所示，隨著強化研磨的噴射角度的增加，試樣表面的粗糙度隨之增加，并且在噴射角度為90°時表面粗糙度達到最大，為Ra0.618 μm，而未處理的試樣的試樣的表面粗糙度最小，為Ra0.481 μm，這是由于隨之噴射角度的增大，研磨料對工件表面法向作用力增加，導致產(chǎn)生的微凹坑的深度增加，進而使得表面粗糙度增加，使得材料的耐磨性能下降，并且由于微凹坑的深度增加，腐蝕介質(zhì)與材料表面的接觸面積增大，會促進材料的腐蝕。

圖4 試樣粗糙度隨強化研磨角度變化曲線Fig.4 Variationcurveofspecimen surface roughness along intensified grinding angle

2.2 顯微硬度分析

如圖5所示，未經(jīng)強化研磨處理的A組試樣在加工表面下10 μm處，其顯微硬度為HV785，且加工表面下10～100 μm這個范圍內(nèi)其顯微硬度一直處于HV780～HV800之間，與A組相比，強化研磨處理的B～D組試樣在離加工表面下10 μm處顯微硬度出現(xiàn)了明顯的提升，其顯微硬度分別為HV862.2、HV890.3、HV895.4，隨著深度的增加，B～D組試樣的顯微硬度依次靠近A組試樣的顯微硬度。由此看出隨著噴射角度增加，試樣表層的顯微硬度不斷增加，且隨著深度的增加，硬度會逐步接近未強化研磨處理試樣的硬度。由于隨著噴射角度的增加，研磨鋼珠和研磨粉對材料表面的作用力隨之增大，由鋼珠及研磨粉所攜帶的動能施加試樣的表面能量將不斷增加，并且試樣的表面能量往試樣內(nèi)部傳遞，隨著表面能量增加，傳遞的深度越大，不同深度的原子獲得的能量有所不同，隨著深度的增加，原子獲得能量呈下降趨勢，而獲得足夠能量的原子將克服約束并遷移，因此沿深度方向，原子出現(xiàn)不同程度的位錯，導致位錯密度隨之增加，出現(xiàn)大量的塑性變形，使得材料的硬度上升，提高了材料的耐磨性。

圖5 顯微硬度沿深度方向的變化Fig.5 The variation of microhardness along the direction of depth

2.3 微觀組織分析

圖6 所示為未經(jīng)強化研磨處理和不同噴射角度下的強化研磨處理后，試樣橫截面的金相組織結(jié)構(gòu)圖。圖6（a）~（d）分別對應(yīng)為編號A~D組試樣，由圖6（a）可以看出，沒有強化研磨處理的A組試樣，其沒有存在強化層，沿深度方向金相組織的尺寸沒有明顯的變化，且金相組織的尺寸位于15~35 μm。與A組試樣相比，由圖6（b）~（d）可知GCr15軸承鋼試樣經(jīng)不同噴射角度的強化研磨處理后，表層的金相組織尺寸逐漸細化，沿深度方向金相組織細化程度有著明顯的梯度變化，存在一定厚度的強化層，其中強化層分別為47 μm、65 μm、73 μm。

圖6 試樣橫截面金相組織Fig.6 Metallographic structure of cross-section for the sample subjected

進一步通過SEM掃描電子顯微鏡放大A~D試樣的強化層，如圖7所示；由圖7（a）可知，沒有強化研磨加工處理的A組試樣，存在大量體尺寸大小基本一致、條紋方向基本一致的粗大馬氏體，沒有存在明顯的馬氏體集束，因此導致其金相組織尺寸沒有明顯的變化。從圖7（b）可以看出，粗大的馬氏體開始受到擠壓，尺寸有所變小，條紋方向開始變得復雜（平行和出現(xiàn)一定的角度），由圖7（c）~（d）可以看出，馬氏體的大小有明顯的變小變細，條紋方向出現(xiàn)相交相切等，并且馬氏體越來越密集，出現(xiàn)大量的馬氏體集束。由圖7可知，強化研磨噴射角度的增加，馬氏體數(shù)量呈上升趨勢，馬氏體的尺寸有明顯的下降，馬氏體的條紋方向變得復雜且無規(guī)律，并且馬氏體逐漸密集。這是因為強化研磨處理時，隨著噴射角度的增加，研磨鋼珠和研磨粉對材料表面的作用力隨之增大，進而使得馬氏體受到擠壓，開始變細變小，晶粒發(fā)生再結(jié)晶，使得馬氏體的條紋方向變得復雜,使得組織的致密程度上升。由于噴射角度的增加，研磨鋼珠和研磨粉的作用力影響材料的深度范圍也隨著增大，導致不同深度的晶體出現(xiàn)了不同的細化程度，因此沿深度方向金相組織細化程度有著明顯的梯度變化，并且出現(xiàn)不同厚度的強化層，表層結(jié)構(gòu)逐漸細化，致密程度上升，腐蝕介質(zhì)難以進入材料的內(nèi)部，提高材料的耐腐蝕程度。

圖7 試樣強化層微觀組織Fig.7 Microstructure of strengthening layer

2.4 抗摩擦腐蝕性能分析

2.4.1 表面摩擦因數(shù)分析

圖8 所示為未經(jīng)處理和不同強化研磨噴射角度θ下的試樣在3.5%NaCl腐蝕介質(zhì)下的摩擦因數(shù)時變曲線，由圖可知，未經(jīng)處理的試樣A的摩擦因數(shù)處于0.45~0.6之間波動，B組摩擦因數(shù)在0.3～0.45之間波動，C組摩擦因數(shù)在0.3～0.35之間波動，D組摩擦因數(shù)在0.23～0.3之間波動。由此看出，A組試樣的摩擦因數(shù)數(shù)值波動最大，波動范圍最廣，而隨著噴射角度的增加，試樣的摩擦因數(shù)有明顯的下降，波動的范圍也逐漸減少。為此，下文將結(jié)合質(zhì)量磨損量和磨痕損傷形貌進行深入研究。

圖8 試樣的摩擦因數(shù)時變曲線Fig.8 Time-varying curve of friction coefficient of specimen

2.4.2 磨損量分析

磨損量指材料摩擦磨損前后質(zhì)量或體積的變化量，本實驗使用質(zhì)量磨損量（Wm）進行分析。圖9所示為A～D試樣在摩擦腐蝕試驗后質(zhì)量磨損量的柱狀圖，從圖9可以看出，A組試樣質(zhì)量磨損量最大（0.131 1 g），與A組試樣相比，通過強化研磨處理后試樣的質(zhì)量磨損量呈下降趨勢，其質(zhì)量磨損量分別為0.092 5 g、0.053 3 g、0.024 7 g，噴射角度從30°增加到90°時質(zhì)量磨損量下降了73%。因為強化研磨噴射角度增加，材料表面所受的作用力增加，導致機械硬化加劇，使其表層硬度得到提高。由于質(zhì)量磨損量主要是通過疲勞剝落造成的，而材料表層硬度提高，表層裂紋不易產(chǎn)生，抑制了疲勞剝落的發(fā)生，從而減少了質(zhì)量磨損量。

圖9 摩擦腐蝕各試樣磨損量Fig.9 Wear amount of each sample in friction corrosion

2.4.3 磨痕損傷形貌分析

圖10 所示為試樣在腐蝕摩擦試驗后表面損傷形貌圖，圖10（a）~（d）分別對應(yīng)A～D組試樣，由圖可知，未經(jīng)強化研磨處理A組試樣在腐蝕摩擦試驗后表面的磨痕寬度為545.9 μm，并且存在大量的點蝕坑，與A組試樣相比，隨著噴射角度的增加，試樣在腐蝕摩擦試驗后表面的磨痕寬度逐漸減小，分別為491.9 μm、346.8 μm、323.2 μm，并且點蝕坑的數(shù)量也逐漸減小。因此表面的摩擦因數(shù)也得到相應(yīng)的下降。

圖10 摩擦腐蝕后的試樣磨痕Fig.10 Wear scar diagram of specimens after friction corrosion

點蝕的產(chǎn)生是由于腐蝕介質(zhì)腐蝕試樣表面而產(chǎn)生的，通過強化研磨的處理后，試樣表面出現(xiàn)再結(jié)晶，晶粒逐漸細化，分布逐漸均勻，進而出現(xiàn)高密度位錯，使得其表面結(jié)構(gòu)更加緊湊，腐蝕介質(zhì)難以滲入組織內(nèi)部，抑制了腐蝕的發(fā)生，減少點蝕的出現(xiàn)，因此A組試樣存在大量的點蝕坑，而經(jīng)強化研磨處理后的B～D組的點蝕坑數(shù)量明顯下降。由于點蝕坑內(nèi)部可以儲存腐蝕介質(zhì)，在受摩擦擠壓時，有利于材料疲勞裂紋的生長和擴展，從而為表面的剝落提供了有利的環(huán)境，以至于A組試樣的磨痕寬度最大，而D組的磨痕寬度最小。摩擦腐蝕過程中表面的剝落，由于內(nèi)部的平行裂紋和垂直裂紋相互交匯導致的，摩擦腐蝕過程中由于磨料與材料之間存在腐蝕介質(zhì)，材料與磨料接觸發(fā)生摩擦時，磨料對材料表面存在一定的壓力，這壓力會促進腐蝕介質(zhì)侵蝕材料表面，產(chǎn)生點蝕，并且在壓力作用下大量的腐蝕介質(zhì)擠壓進材料內(nèi)部，導致材料內(nèi)部裂紋的萌生，最后材料表面出現(xiàn)剝落，剝落的顆粒表面粗糙度比較高，并且停留在材料表面，材料與磨料中間多出大量的剝落顆粒，形成三體磨損，加快了摩擦磨損。而經(jīng)過強化研磨處理后，則材料表層會出現(xiàn)強化層，且表層硬度的增加，即使表面粗糙度增加，會加快工件的磨損和增加腐蝕介質(zhì)與工件表面的接觸面積，但是依然能有效地抑制表面疲勞裂紋的產(chǎn)生，而通過強化研磨處理后，材料表層的晶粒不斷細化，位錯密度上升，馬氏體逐漸變小變細，馬氏體的條紋方向變得復雜，表層結(jié)構(gòu)變得緊湊，抑制腐蝕介質(zhì)表面和組織內(nèi)部的腐蝕。由于材料表面硬度提高，表層結(jié)構(gòu)致密程度提高，有效地抑制了點蝕產(chǎn)生，并且減少腐蝕孔的尺寸和深度，抑制了內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，使得剝落物尺寸變小，進而減小顆粒和磨料混合磨損的程度。

綜上所述，GCr15軸承鋼表面經(jīng)過強化研磨處理后比未處理的更具優(yōu)異的抗摩擦腐蝕性能。

3 結(jié)束語

本文通過不同噴射角度（30°，60°，90°）下強化研磨加工GCr15軸承鋼板后進行摩擦腐蝕試驗，利用強化研磨處理后試樣的微觀組織、顯微硬度、位錯密度解釋試樣的耐摩擦腐蝕性，得到的結(jié)論如下。

（1）利用不同噴射角度下強化研磨處理GCr15軸承鋼板，成功制備了強化層，并且強化層的厚度隨著強化研磨噴射角度的增加呈上升趨勢，最高達到73 μm。試樣表層的硬度得到明顯增加，最高達到HV895.4。

（2）強化研磨處理的試樣表面產(chǎn)生高密度位錯，且位錯密度隨噴射角度的增加呈上升趨勢，晶粒尺寸則減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

（3）隨著強化研磨噴射角度的增加，工件表面的表面粗糙度會增加，但是在顯微硬度有所提升、表層組織細化、位錯密度增加的綜合作用下，工件的抗摩擦腐蝕性能有所增加。

（4）微觀組織、顯微硬度、位錯密度分析結(jié)果與其摩擦腐蝕結(jié)果相吻合，揭示了試樣的摩擦腐蝕性能隨強化研磨噴射角度的增加而增加的規(guī)律。