预压力滚压表面纳米化技术原理及应用

巴德玛，马世宁，孙晓峰，李占明

(装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京100072)

表面纳米化技术是一种新型的表面处理技术［1］，该技术可使基体自身表层形成纳米晶结构和较强的压应力，进而使零件表面的显微硬度、抗接触疲劳性能大幅提升，可有效提高零件基体表面的耐磨性能，减少疲劳裂纹的产生。表面机械加工法是实现金属材料表面晶粒纳米化较为有效和实用的方法［1-2］，目前已开发出机械研磨［2］、高能喷丸［3］、超声冲击［4］等技术。其中:机械研磨技术只适用于实验室研究;高能喷丸技术能够对复杂形状和大面积金属构件进行表面处理，工作效率较高，但设备较复杂，处理后零件表面较粗糙，工艺控制较难，不适用于承载结构件的使用;超声冲击技术制备的纳米层粗糙度小，组织致密，但工作效率较低，且需要超声发生装备。本文研究了一种新型的表面纳米化技术，即预压力滚压表面纳米化技术，用以改善堆焊零件表面结构不均匀问题。

1 预压力滚压设备与工作原理

表面机械处理法是在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织经过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐将晶粒碎化至纳米量级。在不同方向载荷作用下产生的多系滑移和多系孪生变形均有助于加快纳米化的进程，因此在技术设计时，应尽可能地增加载荷的能量和接触频率，使其在不同的方向上产生应力场。本文研究的车刀式预压力滚压设备根据上述表面机械处理法的基本原理所开发，主要用于对金属零件表面进行晶粒细化和结构优化。设备类似于普通车刀，无需外界能量输入，只需卡在普通车床上即可对轴类堆焊修复零件进行表面结构优化。该滚压设备如图1所示，主要由刀头和刀体组成，刀头由支撑滚柱和滚柱构成，刀体内置弹簧。工作时，刀头部的滚柱与工件直接接触完成对工件的滚压，其中支撑滚柱用于固定头部的小滚柱，刀体部的弹簧用于给滚柱施加预压力。

图1 预压力滚压设备工作示意图

预压力滚压实现表面晶粒细化的原理类似于表面机械研磨法表面纳米化的原理。外加载荷通过滚压头作用于材料表面，每次作用都会在材料表面附近产生一个应力场，应力场内任何一个小体积元都会沿不同的方向产生塑性变形，当后续载荷作用在材料表面的不同位置时，新产生的应力场内的小体积元又会沿其他方向产生塑性变形，如图2(a)所示。图2(b)是对轴类零件滚压时表面层应力场，滚压过程中相邻轨迹形成的表面应力场形成叠加，尽管材料的宏观变形量很小，但是任何一个小体积元沿不同方向的微观变形量总和非常大，通过这种特殊的塑性变形方式可以使材料表面附近的晶粒细化至纳米量级［5-8］。

图2 预压力滚压过程中表面附近区域的应力场

2 技术应用

2．1 试验材料及方法

利用车刀式预压力滚压设备对堆焊零件修复层进行结构优化，在堆焊层表面制备纳米晶。利用Pk-127焊丝在45CrNi合金钢圆轴表面制备堆焊层，堆焊层经车床粗加工后，厚度约为1～2 mm。利用预压力滚压设备对堆焊层进行表面纳米化处理，预压力为1．8 ～2．1 kN，压入量为0．4 mm，滚压次数为3～6次。堆焊修复层经预压力滚压表面纳米化处理后表面粗糙度Ra由1．169降至0．173。

采用FEI公司生产的Nova NanoSEM450型扫描电镜观察表面纳米化前后试样横截面的组织形貌。利用JEOL-2100型透射电镜观察表面微观结构特征、晶粒尺寸及形貌。

2．2 试验结果与讨论

2．2．1 横截面SEM形貌

图3(a)为未加工堆焊层横截面形貌，可见堆焊层为粗大的枝状晶。图3(b)为堆焊修复层经滚压处理后横截面扫描电镜图，可见:在滚压表面形成了明显的塑性变形层，严重塑性变形层厚度约为15μm，在严重塑性变形层，原始堆焊修复层中的树枝状结构已不存在，表面组织被明显细化，最表面的组织细化最为严重，由表及里塑性变形的程度有所降低，呈现出阶梯变化趋势，这是利用表面机械加工法制备纳米晶层的典型特征［9-11］。

图3 堆焊层预压力滚压处理前后横截面SEM形貌

2．2．2 纳米晶层表面TEM观察

利用透射电镜显微分析技术对堆焊熔敷层表面制备的纳米晶层进行微观结构分析。图4为试样最表面纳米晶层的TEM明、暗场像和相应的SAED谱。可以看出:在试样表面形成了晶粒尺寸均匀分布的等轴纳米晶，晶粒尺寸集中分布在几纳米至十几纳米的范围内，平均晶粒尺寸在10 nm左右。明锐且连续的衍射环表明在衍射区域存在大量的晶粒，且彼此之间具有大角度、随机的取向差。

2．2．3 表面纳米晶层硬度

图5为纳米压痕试验中经过表面纳米化处理的堆焊试样与普通堆焊试样最表面层的载荷-深度曲线。可以看出:在相同的加载过程中，滚压试样表层的压痕深度明显小于基体的压痕深度，由此可知滚压加工后材料的硬度明显提高。图6为最大加载载荷为100 mN时测得的表面滚压加工样品的硬度随距处理表面距离(深度)的变化曲线。可以看出:最表面层的硬度值最高，约为1 450 Hv，弹性模量约为310 GPa;随着深度的增加，硬度逐渐降低，在距表层10μm左右的区域内硬度下降较快，此后硬度下降较缓慢，在大约30μm深度处硬度达到了基体的稳定值，约为500 Hv，弹性模量为230 GPa。由上述观察结果可以看出:样品经过表面纳米化处理后，表层硬度提高，弹性模量增加，最表面层的硬度约为基体硬度的3倍。相关研究［12］表明:纳米结构层晶粒细化可能是使硬度提高的主要原因。

图4 堆焊熔敷层/纳米晶层最表面层TEM明、暗场像及SAED谱

图5 表面纳米化试样与原始堆焊试样在纳米压痕试验中的载荷-深度曲线

图6 表面纳米化试样在纳米压痕试验中的硬度-深度曲线

3 结论

预压力滚压表面纳米化技术通过在零件表面形成严重塑性变形层，借助位错运动实现表面晶粒的细化。该技术所用设备结构简单，无需外接能源，操作方便，能够在圆轴类金属零件的外圆和端面制备厚度均匀的纳米晶层。利用该技术在堆焊修复层表面制备了纳米晶层，晶粒细化均匀，晶粒尺寸细小，最表面纳米晶层的平均晶粒尺寸约为10 nm，最表面层硬度约为1 500 Hv，是基体材料硬度的3倍。该技术能够使堆焊零件表面晶粒均匀化、细致化，表面硬度明显提高，有利于改善零件表面的耐磨性和抗疲劳性能。

［1］ Lu K，Lu J．Surface Nanorystallization(SNC)of Metallic Materials-presentation of the Concept behind a New Approach ［J］．J Mater Sci Technol，1999，15(3):193-197．

［2］ Lu K，Lu J．Nanostructured Surface Layer on Metallic Materials Induced by Surface Mechanical Attrition Treatment［J］．Materials Science and Engineering A，2004，375/377:38-45．

［3］ Bagherifard S，Fernández P I，Ghelichi R，et al．Fatigue Properties of Nanocrystallized Surfaces Obtained by High Energy Shot Peening［J］．Procedia Engineering，2010(2):1683-1690．

［4］ Wang T，Wang D P，Liu G，et al．Investigations on the Nanocrystallization of 40Cr Using Ultrasonic Surface Rolling Processing［J］．Applied Surface Science，2008，255:1824-1829．

［5］ Valiev R Z，Korznikov A V，Mulyukov R R．Structure and Properties of Ultrafine-grained Materials Produced by Severe Plastic Deformation［J］．Scripta Metall Mater，1993，168(2):141-152．

［6］ Valiev R Z，Islamgaliev R K，Alexanderov I V．Bulk Nanostructured Materials from Severe Plastic Deformation［J］．Prog Mater Sci，2000，l 45:103-113．

［7］ 巴德玛，马世宁，李长青，等．超音速微粒轰击45钢表面纳米化的研究［J］．材料科学与工艺，2007，15(3):342-346．

［8］ Tao N R，Sui M L，Lu J，et al．Surface Nanocrystalization of I-ron Induced by Ultrasonic Shot Peening［J］．Nanostructured Materials，1999，11(4):433-440．

［9］ Wu X，Tao N R，Hong Y，et al．Microstructure and Evolution of Mechanically-induced Ultrafine Grain in Surface Layer of AL-alloy Subjected to USSP［J］．Acta Materialia，2002，50:2075-2084．

［10］ Tao N R，Wang Z B，Tong W P，et al．An Investigation of Surface Nanocrystallization Mechanism in Fe Induced by Surface Mechanical Attrition Treatment［J］．Acta Materialia，2002，50:4603-4616．

［11］ Liu Z G，Hao X J，Masuyama K，et al．Nanocrystal Formation in a Ball Milled Eutectoid Ssteel［J］．Scripta Mater，2001，44:1775-1779．

［12］ Richard WS，Gretchen E F．Mechanical Properties of Nanophase Metals［J］．Nanostructured Materials，1995，6:205-216．