喷丸强化 316L 不锈钢表面的摩擦磨损性能

喷丸强化是一种材料表面纳米化制备方法,大量弹丸高速撞击试件表面产生强烈塑性变形,在材料表面制备出表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度组织。表面组织与性能的优化可明显提高材料的力学性能、抗疲劳性能、耐磨性和耐腐蚀性能,从而提高材料的使用寿命。研究纳米化表面的粗糙度和摩擦磨损性能,对该技术的实际应用具有重要意义。文献对不同金属材料经喷丸表面纳米化处理后的干摩擦、油润滑条件下的摩擦及高温摩擦磨损行为进行了研究,结果表明:在干摩擦条件下,低碳钢纳米化表面在一定载荷范围内的耐磨性有所提高,中碳钢则出现了高载荷下耐磨性降低的情况;纳米化表面在油润滑条件下的耐磨性明显提高;在高温摩擦的条件下,不同的温度范围对材料耐磨性有很大影响。已有的结果对不同工艺参数下喷丸表面粗糙度及摩擦性能的关系研究较少。而合理选择喷丸强化的工艺参数对表面形貌,粗糙度、硬度及摩擦性能有重要影响, 如何正确评价喷丸工艺参数与表面粗糙度、硬度和摩擦性能的关系至关重要。

本文将对 316L 不锈钢进行喷丸强化处理,分析喷丸时间、弹丸直径、振动频率对喷丸强化后材料表面的三维形貌、粗糙度、硬度及摩擦磨损性能的影响。

1 试验材料及方法

1. 1 试验材料
试验用材料为 316L 不锈钢,其名义化学成分(质量分数,%)如表 1 所示。试件为直径 φ95 mm,厚度3mm 的圆盘。试验所用弹丸为含锆量 95% ( 质量分数,下同) 的高纯氧化锆珠,化学成分为:94. 8% ZrO2，5 ±0.2%Y2O3,弹丸直径分别为 φ1.0 mm 和 φ2.4 mm。氧化锆珠球体圆整度好,表面光滑,有极好的韧性、耐冲击性,在高速运转中不碎裂。锆珠的耐磨性是玻璃珠的 30 ~ 50 倍,有极高的研磨效率。

1. 2 试验方法为了研究弹丸直径对材料表面摩擦性能的影响,

本文选用直径为 φ1. 0 mm 和 φ2. 4 mm 的弹丸进行喷丸试验;为了研究喷丸时间对材料表面摩擦性能的影响,在弹丸直径相同、振动频率相同的条件下,喷射时间分别选为 15、20、25 和 30 min;为了研究振动频率对摩擦性能的影响,在弹丸直径相同、喷射时间相同的条件下,振动频率分别选为 35、40、45 和 50 Hz。

试验前先对试件进行车削机械抛光处理,之后用酒精清洗试件表面和弹丸。采用 SNC-1 型金属材料表面纳米化试验机进行喷丸强化试验,然后用超声振荡器去除样品表面油污。采用 LSM700 激光共聚焦显微镜观察试件表面的三维形貌,并测量各种喷丸条件下试件表面的粗糙度;采用 HR-150DT 洛氏硬度计测量试件表面的洛氏硬度;采用 CFT-1 型材料表面性能综合测试仪测试试件的摩擦因数,载荷为 50 N,加载时间为 10 min;采用 QUNNTA FEG650 扫描电子显微镜观察磨痕的表面磨损形貌。

2 试验结果与讨论

2. 1 喷丸强化后材料表面形貌

图 1( a1 ) 、( a2 ) 表示车削机械抛光后原始表面光学图和三维形貌图。可以看出,表面有较多的栅状凹陷,表面粗糙度 Ra = 10. 64 μm,洛氏硬度为 33 HRC。 a图 1(b1 )、(b2 )表示采用弹丸直径为 φ1. 0 mm,振动频率为 50 Hz,喷丸时间 30 min 进行喷丸强化处理后试件表面光学图和三维形貌图。可以看出,表面出现明显的犁沟,说明弹丸尺寸较小时,喷丸表面以犁沟和塑性变形为主。表面粗糙度 Ra = 8. 43 μm,洛氏硬度为40. 86 HRC,与喷丸前经车削机械抛光样品相比,粗糙度明显减小,硬度明显提高。图 1(c1 )、(c2 )表示采用弹丸直径为 φ2. 4 mm,振动频率 50 Hz,喷丸时间 30 min进行喷丸强化处理后试件表面光学图和三维形貌图。

可以看出,表面没有出现明显的犁沟,说明弹丸尺寸较大时,喷丸表面以塑性变形为主。表面粗糙度 Ra = 6.97 μm,洛氏硬度为44.26HRC,与弹丸尺寸为1.0mm 时相比,粗糙度减小,硬度增加。这是由于经过车削机械抛光后,试件表面较粗糙,粗糙的表面经过喷丸强化处理后硬度提高,使得弹丸撞击表面产生的凹坑尺寸减小,因而其表面粗糙度降低。而且对于表面较粗糙的试件,弹丸尺寸大时喷丸强化效果更明显,硬度更高,粗糙度更低。

2. 2 喷丸强化后材料表面硬度及粗糙度

图 2 表示弹丸直径分别为 φ1. 0 mm 和 φ2. 4 mm,振动频率为 50 Hz,喷丸强化时间分别为 15、20、30 min 时材料表面硬度分布。可以看出,喷丸强化后材料表面硬度提高,喷丸时间为 15 min 时,材料表面硬度和未喷丸时材料表面硬度相差不大,随着喷丸时间的增加,材料表面硬度增加;弹丸直径为 φ2. 4 mm 时喷丸后材料表面硬度大于弹丸直径为 φ1. 0 mm 时喷丸后材料表面硬度,且时间越长二者差别越大,当喷丸时间增加到 30 min 时,弹丸直径为 φ1. 0 mm 时材料表面硬度是未喷丸材料表面硬度的约 1. 24 倍;弹丸直径增加为 φ2. 4 mm 时,材料表面硬度是未喷丸材料表面硬度的约 1. 34 倍。喷丸时间越短,弹丸直径对喷丸强化材料表面硬度影响越小。

图3(a)表示振动频率为 50 Hz,弹丸直径为φ1.0 mm 和 φ2. 4 mm,喷丸时间分别为 15、20、25、30 min 时材料表面粗糙度,图 3(b)表示喷丸时间为15 min,弹丸直径为 φ1. 0 mm 和 φ2. 4 mm,振动频率分别为 35、40、45、50 Hz 时材料表面粗糙度。可以看出:1弹丸直径对喷丸强化后材料表面粗糙度影响较大,对于表面为机械抛光的试件,弹丸直径越大,喷丸强化后材料表面粗糙度越小;2随喷丸时间的增加,材料表面粗糙度逐渐减小,当喷丸时间达到 30 min 时, 表面粗糙度明显减小;3振动频率小于 50 Hz 时,表面粗糙度变化不大,当振动频率达到 50 Hz 时,表面粗糙度明显减小。

2. 3 喷丸强化材料在干摩擦下的摩擦磨损性能

图4(a)表示弹丸直径为φ1.0 mm,振动频率为 50 Hz,喷丸时间分别为 15、20、25、30 min 时材料表面摩擦因数。可以看出,喷丸时间小于 30 min 时,对材料表面摩擦因数影响不大,当喷丸时间达到 30 min 时,材料表面摩擦因数有所减小。喷丸后的摩擦因数均小于未喷丸表面的摩擦因数,说明,当未喷丸表面较粗糙时,喷丸强化可以降低材料表面摩擦因数,增加材料的耐磨性。图 4(b)表示弹丸直径为 φ1. 0 mm,喷丸时间为 15 min,振动频率分别为 35、40、45、50 Hz 时材料表面摩擦因数。可以看出,振动频率对材料表面摩擦因数影响相对较小,在摩擦时间为 30 s 时,不同频率下喷丸处理后材料表面摩擦因数约为 0. 33,未喷丸材料表面摩擦因数约为 0. 43,当摩擦时间增加到3 min 时,喷丸处理后摩擦因数与未喷丸时的摩擦因数均增加到 0. 5,说明此时纳米层被磨破到达基体层。

图4(c)表示弹丸直径为φ2.4mm,振动频率为 50 Hz,喷丸时间分别为 15、20、25、30 min 时材料表面摩擦因数。可以看出,与图 4(a)相比,喷丸时间对摩擦因数影响较大,且喷丸时间越长,摩擦因数越低,当喷丸时间增加到 30 min 时,摩擦因数明显降低。图 4(d) 表示弹丸直径为 φ2. 4 mm,喷丸时间为 15 min, 振动频率分别为 35、40、45、50 Hz 时材料表面摩擦因数。可以看出,与图 4(b)相比喷丸频率对摩擦因数影响较大,频率为 35 Hz 时,材料表面摩擦因数与未喷丸相比较接近,振动频率增加到 50 Hz 时,摩擦因数明显减小。说明随弹丸直径的增大,喷丸时间和振动频率对材料表面摩擦因数的影响增加。弹丸直径为 φ2. 4 mm 时纳米层厚度大于相同喷丸条件下弹丸直径为 φ1. 0 mm 时纳米层厚度,从而摩擦因数减小,耐磨性提高。

2. 4 喷丸强化 316L 不锈钢在干摩擦下的磨损机制

图 5 为不同喷丸条件下喷丸强化样品与未喷丸样品经干摩擦试验后表面磨损形貌。可以看出,在干摩擦条件下,喷丸样品和未喷丸样品的主要磨损机制均为磨粒磨损,样品表面出现许多白色的磨屑和部分脱落片层物。图 5(a)为未喷丸样品表面磨损形貌图,可以看出,脱落片层物分层较多,且出现较大块的磨屑; 图 5(b)为弹丸直径 φ2. 4 mm,喷丸时间为 15 min,频率为 35 Hz 时喷丸样品表面磨损形貌图,与未喷丸相比,片层物分层相对减少,但仍有大块磨屑脱落,与未喷丸处理的磨损表面接近。这是由于载荷较大,表面纳米化处理的试样表面层经受了严重的接触应力及摩擦温度作用,其组织结构可能发生变化,另外,纳米表层可能已经被部分磨穿,因而材料的耐磨性降低。图 5(c)为弹丸直径 φ2. 4 mm,喷丸时间 15 min,频率为 50 Hz 时喷丸样品表面磨损形貌图,可以看出,磨屑数量明显减少,且磨屑尺寸均匀,无大块磨屑出现,脱落片层物减少,出现细且浅的犁沟;图 5(d)为弹丸直径 φ2. 4 mm,喷丸时间 30 min,振动频率 50 Hz 时喷丸样品表面磨损形貌图,可以看出,磨屑为均匀的小颗粒,脱落片层物减少,无明显的犁沟。表面磨粒减小的主要原因是喷丸强化后在材料表面形成高强度和高硬度的纳米晶层,由于纳米层微粒尺寸减小,所以磨损过程中产生的磨屑尺寸减小,没有整块的脱落,从而增加了材料的耐磨性。