預壓力滾壓表面納米化技術原理及應用

巴德瑪，馬世寧，孫曉峰，李占明

(裝甲兵工程學院裝備再制造工程系，北京100072)

表面納米化技術是一種新型的表面處理技術［1］，該技術可使基體自身表層形成納米晶結構和較強的壓應力，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，減少疲勞裂紋的產生。表面機械加工法是實現金屬材料表面晶粒納米化較為有效和實用的方法［1-2］，目前已開發出機械研磨［2］、高能噴丸［3］、超聲沖擊［4］等技術。其中:機械研磨技術只適用于實驗室研究;高能噴丸技術能夠對復雜形狀和大面積金屬構件進行表面處理，工作效率較高，但設備較復雜，處理后零件表面較粗糙，工藝控制較難，不適用于承載結構件的使用;超聲沖擊技術制備的納米層粗糙度小，組織致密，但工作效率較低，且需要超聲發生裝備。本文研究了一種新型的表面納米化技術，即預壓力滾壓表面納米化技術，用以改善堆焊零件表面結構不均勻問題。

1 預壓力滾壓設備與工作原理

表面機械處理法是在外加載荷的重復作用下，材料表面的粗晶組織經過不同方向產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，因此在技術設計時，應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生應力場。本文研究的車刀式預壓力滾壓設備根據上述表面機械處理法的基本原理所開發，主要用于對金屬零件表面進行晶粒細化和結構優化。設備類似于普通車刀，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零件進行表面結構優化。該滾壓設備如圖1所示，主要由刀頭和刀體組成，刀頭由支撐滾柱和滾柱構成，刀體內置彈簧。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壓力。

圖1 預壓力滾壓設備工作示意圖

預壓力滾壓實現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生一個應力場，應力場內任何一個小體積元都會沿不同的方向產生塑性變形，當后續載荷作用在材料表面的不同位置時，新產生的應力場內的小體積元又會沿其他方向產生塑性變形，如圖2(a)所示。圖2(b)是對軸類零件滾壓時表面層應力場，滾壓過程中相鄰軌跡形成的表面應力場形成疊加，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 預壓力滾壓過程中表面附近區域的應力場

2 技術應用

2．1 試驗材料及方法

利用車刀式預壓力滾壓設備對堆焊零件修復層進行結構優化，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，堆焊層經車床粗加工后，厚度約為1～2 mm。利用預壓力滾壓設備對堆焊層進行表面納米化處理，預壓力為1．8 ～2．1 kN，壓入量為0．4 mm，滾壓次數為3～6次。堆焊修復層經預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構特征、晶粒尺寸及形貌。

2．2 試驗結果與討論

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)為堆焊修復層經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，原始堆焊修復層中的樹枝狀結構已不存在，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對堆焊熔敷層表面制備的納米晶層進行微觀結構分析。圖4為試樣最表面納米晶層的TEM明、暗場像和相應的SAED譜。可以看出: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，平均晶粒尺寸在10 nm左右。明銳且連續的衍射環表明在衍射區域存在大量的晶粒，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。可以看出: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左右的區域內硬度下降較快，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定值，約為500 Hv，彈性模量為230 GPa。由上述觀察結果可以看出:樣品經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。相關研究［12］表明:納米結構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 結論

預壓力滾壓表面納米化技術通過在零件表面形成嚴重塑性變形層，借助位錯運動實現表面晶粒的細化。該技術所用設備結構簡單，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。利用該技術在堆焊修復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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