強(qiáng)化研磨加工中噴射角度對(duì)GCr15軸承鋼耐摩擦腐蝕性能的影響*

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(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州510006；2.廣州大學(xué)廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510006；3.廣州大學(xué)廣東省強(qiáng)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006）

0 引言

材料的摩擦腐蝕是一種摩擦磨損和化學(xué)腐蝕雙重因素耦合作用的結(jié)果，并且摩擦腐蝕導(dǎo)致材料的損失遠(yuǎn)大于摩擦磨損和化學(xué)腐蝕各自損失之和，這是一種復(fù)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(jī)械、石油裝備等行業(yè)上得到廣泛運(yùn)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(duì)材料的耐摩擦腐蝕性能是一種嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

強(qiáng)化研磨技術(shù)是一種表面射流強(qiáng)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(guò)高壓氣體帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)加工，使材料表面產(chǎn)生雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)（類織構(gòu)層和強(qiáng)化層），從而提高了材料的耐摩擦、抗腐蝕、耐高溫、長(zhǎng)壽命、高可靠性能[3-5]。本文在前期研究中，通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證不同噴射時(shí)間下強(qiáng)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(qiáng)化研磨處理后試樣只在摩擦磨損或化學(xué)腐蝕單一環(huán)境下進(jìn)行研究，而在腐蝕環(huán)境下受摩擦磨損這種復(fù)合環(huán)境的研究尚未有學(xué)者探索。這嚴(yán)重影響了海洋、化工機(jī)械、石油等重要裝備的使用壽命。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在材料表面改性加工技術(shù)上進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)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(zhēng)議[13]。Wang[14]對(duì)表面具有納米層的304不銹鋼放在3.5%NaCl溶液進(jìn)行腐蝕，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)組織的晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度上升可以提高材料的抗腐蝕性能。但是在通過(guò)機(jī)械滾壓技術(shù)加工304不銹鋼材料表面過(guò)程中，由于產(chǎn)生晶粒的細(xì)化、缺陷或表面污染等原因?qū)е铝丝垢g性能下降。而國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)在各種摩擦工況（滑動(dòng)、滾動(dòng)、微動(dòng)）進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，普遍認(rèn)為材料表面組織細(xì)化、位錯(cuò)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(xì)化可以使其硬度得到提高，耐磨性能會(huì)比未細(xì)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(guò)程中摩擦磨損和化學(xué)腐蝕相互作用的結(jié)果，不是兩者的簡(jiǎn)單疊加[18]，沈明學(xué)[19]通過(guò)SMRT處理361L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)材料表面晶體細(xì)化，可提高材料的耐摩擦腐蝕性能。黃博[20]通過(guò)在304不銹鋼上進(jìn)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(xiàn)，至今經(jīng)過(guò)強(qiáng)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(jiàn)報(bào)道。

本文探究了強(qiáng)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(qiáng)化研磨不同噴射角度處理對(duì)材料的耐摩擦腐蝕性能的影響。對(duì)后續(xù)的GCr15軸承鋼摩擦腐蝕防護(hù)具有十分重大的研究意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的試樣為GCr15軸承鋼板，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)化研磨加工試驗(yàn)

文中強(qiáng)化研磨加工試驗(yàn)儀器為廣州大學(xué)先進(jìn)制造研究院的強(qiáng)化研磨機(jī)，如圖1所示，加工示意如圖2所示。

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

圖2 強(qiáng)化研磨加工Fig.2 Schematic diagram of strengthening grinding

以噴射角度為單一變量來(lái)進(jìn)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(jì)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(yàn)

在試驗(yàn)前，將強(qiáng)化研磨加工后的試樣和未經(jīng)強(qiáng)化研磨加工的試樣運(yùn)用線切割切成10 mm×10 mm×10 mm的方塊，然后使用酒精進(jìn)行超聲清洗，冷風(fēng)吹干，以備后續(xù)分析和測(cè)試。

使用往復(fù)式摩擦腐蝕試驗(yàn)機(jī)（圖3），其中對(duì)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(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損。試驗(yàn)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(fù)頻率50 Hz。在摩擦腐蝕試驗(yàn)前后，都需清洗干凈試樣，且放置電子天平上測(cè)量其質(zhì)量，從而計(jì)算出磨損量。

圖3 往復(fù)式摩擦腐蝕試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Reciprocating friction and corrosion tester

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)化研磨后工件表面粗糙度分析

如圖4所示，隨著強(qiáng)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(shí)表面粗糙度達(dá)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(duì)工件表面法向作用力增加，導(dǎo)致產(chǎn)生的微凹坑的深度增加，進(jìn)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(huì)促進(jìn)材料的腐蝕。

圖4 試樣粗糙度隨強(qiáng)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(qiáng)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(gè)范圍內(nèi)其顯微硬度一直處于HV780～HV800之間，與A組相比，強(qiáng)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(huì)逐步接近未強(qiáng)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(duì)材料表面的作用力隨之增大，由鋼珠及研磨粉所攜帶的動(dòng)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(shì)，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(cuò)，導(dǎo)致位錯(cuò)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(qiáng)化研磨處理和不同噴射角度下的強(qiáng)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(duì)應(yīng)為編號(hào)A~D組試樣，由圖6（a）可以看出，沒(méi)有強(qiáng)化研磨處理的A組試樣，其沒(méi)有存在強(qiáng)化層，沿深度方向金相組織的尺寸沒(méi)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(qiáng)化研磨處理后，表層的金相組織尺寸逐漸細(xì)化，沿深度方向金相組織細(xì)化程度有著明顯的梯度變化，存在一定厚度的強(qiáng)化層，其中強(qiáng)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(jìn)一步通過(guò)SEM掃描電子顯微鏡放大A~D試樣的強(qiáng)化層，如圖7所示；由圖7（a）可知，沒(méi)有強(qiáng)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(méi)有存在明顯的馬氏體集束，因此導(dǎo)致其金相組織尺寸沒(méi)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(fù)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(xì)，條紋方向出現(xiàn)相交相切等，并且馬氏體越來(lái)越密集，出現(xiàn)大量的馬氏體集束。由圖7可知，強(qiáng)化研磨噴射角度的增加，馬氏體數(shù)量呈上升趨勢(shì)，馬氏體的尺寸有明顯的下降，馬氏體的條紋方向變得復(fù)雜且無(wú)規(guī)律，并且馬氏體逐漸密集。這是因?yàn)閺?qiáng)化研磨處理時(shí)，隨著噴射角度的增加，研磨鋼珠和研磨粉對(duì)材料表面的作用力隨之增大，進(jìn)而使得馬氏體受到擠壓，開始變細(xì)變小，晶粒發(fā)生再結(jié)晶，使得馬氏體的條紋方向變得復(fù)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(dǎo)致不同深度的晶體出現(xiàn)了不同的細(xì)化程度，因此沿深度方向金相組織細(xì)化程度有著明顯的梯度變化，并且出現(xiàn)不同厚度的強(qiáng)化層，表層結(jié)構(gòu)逐漸細(xì)化，致密程度上升，腐蝕介質(zhì)難以進(jìn)入材料的內(nèi)部，提高材料的耐腐蝕程度。

圖7 試樣強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(dòng)，B組摩擦因數(shù)在0.3～0.45之間波動(dòng)，C組摩擦因數(shù)在0.3～0.35之間波動(dòng)，D組摩擦因數(shù)在0.23～0.3之間波動(dòng)。由此看出，A組試樣的摩擦因數(shù)數(shù)值波動(dòng)最大，波動(dòng)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(dòng)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(jìn)行深入研究。

圖8 試樣的摩擦因數(shù)時(shí)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(shí)驗(yàn)使用質(zhì)量磨損量（Wm）進(jìn)行分析。圖9所示為A～D試樣在摩擦腐蝕試驗(yàn)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(guò)強(qiáng)化研磨處理后試樣的質(zhì)量磨損量呈下降趨勢(shì)，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(shí)質(zhì)量磨損量下降了73%。因?yàn)閺?qiáng)化研磨噴射角度增加，材料表面所受的作用力增加，導(dǎo)致機(jī)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(guò)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(yàn)后表面損傷形貌圖，圖10（a）~（d）分別對(duì)應(yīng)A～D組試樣，由圖可知，未經(jīng)強(qiáng)化研磨處理A組試樣在腐蝕摩擦試驗(yàn)后表面的磨痕寬度為545.9 μm，并且存在大量的點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(guò)強(qiáng)化研磨的處理后，試樣表面出現(xiàn)再結(jié)晶，晶粒逐漸細(xì)化，分布逐漸均勻，進(jìn)而出現(xiàn)高密度位錯(cuò)，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(diǎn)蝕的出現(xiàn)，因此A組試樣存在大量的點(diǎn)蝕坑，而經(jīng)強(qiáng)化研磨處理后的B～D組的點(diǎn)蝕坑數(shù)量明顯下降。由于點(diǎn)蝕坑內(nèi)部可以儲(chǔ)存腐蝕介質(zhì)，在受摩擦擠壓時(shí)，有利于材料疲勞裂紋的生長(zhǎng)和擴(kuò)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(guò)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(dǎo)致的，摩擦腐蝕過(guò)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?xí)r，磨料對(duì)材料表面存在一定的壓力，這壓力會(huì)促進(jìn)腐蝕介質(zhì)侵蝕材料表面，產(chǎn)生點(diǎn)蝕，并且在壓力作用下大量的腐蝕介質(zhì)擠壓進(jìn)材料內(nèi)部，導(dǎo)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(guò)強(qiáng)化研磨處理后，則材料表層會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)化層，且表層硬度的增加，即使表面粗糙度增加，會(huì)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(guò)強(qiáng)化研磨處理后，材料表層的晶粒不斷細(xì)化，位錯(cuò)密度上升，馬氏體逐漸變小變細(xì)，馬氏體的條紋方向變得復(fù)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(diǎn)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(jìn)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(guò)強(qiáng)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(yǔ)

本文通過(guò)不同噴射角度（30°，60°，90°）下強(qiáng)化研磨加工GCr15軸承鋼板后進(jìn)行摩擦腐蝕試驗(yàn)，利用強(qiáng)化研磨處理后試樣的微觀組織、顯微硬度、位錯(cuò)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(qiáng)化研磨處理GCr15軸承鋼板，成功制備了強(qiáng)化層，并且強(qiáng)化層的厚度隨著強(qiáng)化研磨噴射角度的增加呈上升趨勢(shì)，最高達(dá)到73 μm。試樣表層的硬度得到明顯增加，最高達(dá)到HV895.4。

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

（3）隨著強(qiáng)化研磨噴射角度的增加，工件表面的表面粗糙度會(huì)增加，但是在顯微硬度有所提升、表層組織細(xì)化、位錯(cuò)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(cuò)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(qiáng)化研磨噴射角度的增加而增加的規(guī)律。