吳亮 李玉勝

摘 要：利用旋轉(zhuǎn)加速噴丸工藝（Rotational Assisted Shot Peening， RASP）對3Cr2W8V熱作模具鋼進(jìn)行表面納米化處理，采用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、顯微硬度計等分析測試手段對表面納米化處理前后試樣的微觀組織及力學(xué)性能的變化進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，經(jīng)RASP處理后，3Cr2W8V鋼的表面形成了納米晶層，且自表面向心部呈晶粒尺寸梯度分布。與RASP處理前相比，處理后3Cr2W8V鋼的表層硬度有了明顯的提高。

關(guān)鍵詞：熱作模具鋼;RASP處理;微觀組織;力學(xué)性能

0 引言

熱作模具鋼因為具有較高的耐磨性、紅硬性、熱疲勞性、淬透性以及較好的韌性和耐熔損性等多種性能，廣泛地使用在金屬模鑄、熱擠壓和熱鍛等行業(yè)。美國牌號H21鋼因其良好的強(qiáng)韌性匹配成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種熱作模具鋼，我國相應(yīng)的牌號為3Cr2W8V，其化學(xué)成分（wt.%）如下：C0.30～0.40，Si≤0.40，Mn≤0.40，Cr2.20～2.70，W7.50～9.00，V0.20～0.50，p≤0.030，S≤0.030，余量為Fe。

近年來，基于嚴(yán)重塑性變形機(jī)理制備納米塊體材料的技術(shù)獲得不斷進(jìn)展，金屬材料表面化技術(shù)則是利用高速彈丸對金屬表面進(jìn)行高能打擊，從而在材料表面獲得晶粒尺寸為納米尺度的微觀組織，納米化處理后的金屬材料表面硬度、耐摩擦磨損、疲勞壽命等性能明顯提高，從而備受學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的關(guān)注[1-4]。納米化機(jī)理主要是通過表面塑性變形使晶粒細(xì)化至納米尺度[5]。采用這種方法制備的納米化材料與其他方法相比，材料表面的晶體尺寸更細(xì)小，最表面可達(dá)到幾個到幾十個納米，而且制備的材料是致密的，內(nèi)部沒有孔洞等缺陷，能更真實地反映材料的性能。前人在表面納米化對材料晶粒細(xì)化機(jī)制和顯微硬度變化等方面有不少研究，但對于工業(yè)常見的3Cr2W8V鋼表面納米化處理后的晶粒細(xì)化機(jī)理和微觀硬度變化尚無報道，本文利用自發(fā)研制的旋轉(zhuǎn)加速噴丸處理（ RASP） 設(shè)備，在3Cr2W8V鋼表面進(jìn)行納米化處理，以期獲得表面納米結(jié)構(gòu)，提高表面硬度。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所用的材料為3Cr2W8V熱作模具鋼樣品，化學(xué)成分如表所示。在對樣品進(jìn)行噴丸處理前，用砂紙研磨其表面，目的是去除表面雜質(zhì)，以免在噴丸處理時混入樣品表面。

1.2 表面納米化處理過程

本實驗采用新研制的旋轉(zhuǎn)加速噴丸設(shè)備進(jìn)行表面納米化處理。該設(shè)備主要由電機(jī)、彈丸循環(huán)裝置、旋轉(zhuǎn)加速裝置和樣品處理室構(gòu)成。主要實驗步驟如下：1.試樣的尺寸為100×85×6（mm），用金相砂紙研磨樣品，使其表面平整。2.將樣品固定在樣品臺上，關(guān)上樣品處理室的門，在彈丸傳送帶上的每個凹槽內(nèi)放入一定直徑、一定數(shù)量的彈丸，設(shè)置噴丸速度，并在處理工程中根據(jù)彈丸的損失量向傳送帶凹槽內(nèi)添加相應(yīng)大小和數(shù)量的彈丸。工藝參數(shù)：彈丸直徑為5mm的GCr15鋼球，彈丸撞擊速度為60m/s，處理時間為45min。對RASP處理后的3Cr2W8V熱作模具鋼樣品進(jìn)行研究，測試其力學(xué)性能，并進(jìn)行顯微組織觀察。

1.3 微觀組織分析與顯微硬度測試

采用白光共聚焦分析系統(tǒng)對經(jīng)RASP處理后3Cr2W8V熱作模具鋼的截面組織進(jìn)行了系統(tǒng)觀察，然后在FEI TF30 300KV高分辨透射電鏡（TEM）上進(jìn)行透射電鏡觀察。樣品截面組織觀察的TEM 試樣制備過程為：沿與樣品處理面垂直方向線切割14×2×0.3（mm）薄片，用砂紙從基體一側(cè)手工磨到樣品厚度為 30～35μm，然后用剪刀剪成若干小片，將RASP處理的表面拼在一起，并用AB膠粘在直徑3mm的圓形銅環(huán)上，最后用沖樣器沖掉樣品的多余部分，得到直徑3mm的圓片狀樣品，然后在離子減薄儀上從基體一側(cè)單面減薄至穿孔，最后用小角度從雙側(cè)減薄以去除樣品準(zhǔn)備過程中表面形成的氧化膜和污染。

采用島津顯微硬度計進(jìn)行測量試樣表面沿深度方向的硬度，施加載荷為13mN，加載時間為10s，每個深度層硬度通過測6點取平均值。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖1為RASP處理時間為45min的樣品的截面的顯微組織，由圖可以看出表層晶粒變形比較明顯，由于基體受到彈丸不斷的高應(yīng)變速率重復(fù)沖擊作用，表面呈現(xiàn)凹凸不平，表面發(fā)生劇烈塑性變形并留下帶狀變形組織，這是發(fā)生壓力變形的結(jié)果。此外RASP處理后熱作模具鋼的晶粒也十分細(xì)小，以至于在光學(xué)放大倍數(shù)下未能觀察到明顯晶界。圖1可見靠近處理表面的變形很模糊，主要是發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形的結(jié)果。

2.2 RASP處理后3Cr2W8V微觀組織的透射電鏡觀察

圖2為距離RASP試樣處理表面約200μm深度處的典型TEM形貌，在這個深度處應(yīng)變量和應(yīng)變率較低，高密度位錯墻（DDWs）和位錯纏繞（DTs）是典型的組態(tài)。不同方向的DDWs和DTs相互交割將原始粗大晶粒分割為大量位錯胞結(jié)構(gòu)，同時觀察到大量碳化物顆粒的存在。圖3中可以看到，晶粒形狀為長條形，并且具有一定的方向，這對應(yīng)表層區(qū)域的變形帶，表明在RASP的過程中晶粒被沿著變形帶的方向被拉長。

隨著應(yīng)變量和應(yīng)變率的增加，在距離處理表面～100m深度處形成了晶粒尺寸約為400nm的等軸亞晶粒，如圖4所示。由圖可知，位錯胞的胞壁由位錯網(wǎng)和混亂的位纏結(jié)組成，形成高密度的位錯結(jié)構(gòu)。由塑性變形誘發(fā)產(chǎn)生的胞狀結(jié)構(gòu)大小與未經(jīng)過表面納米化處理的原始晶粒度關(guān)系不大，但會隨著變形量的增加而減小，達(dá)到一定極限尺寸后就不再改變，趨于穩(wěn)定值。

在距處理表面～20μm處，進(jìn)一步的TEM觀察表明，隨著距RASP樣品處理表面深度的減小，即應(yīng)變和應(yīng)變率的不斷增加，平均片層間距逐漸減小，距處理表面約20μm處的平均片層間距約55nm，如圖4所示。說明在RASP樣品的次表層，應(yīng)變量和應(yīng)變速率較高，RASP 處理后的3Cr2W8V鋼次表層微觀組織被有效細(xì)化至納米尺度。

圖5所示為RASP樣品最表層（～5μm深度處）典型的TEM觀察結(jié)果。從明場像及其相應(yīng)選區(qū)電子衍射結(jié)果可以看出，在樣品最表層形成了大小均勻、取向隨機(jī)的等軸納米晶。選區(qū)電子衍射顯示最表層由單相α-Fe 組成。晶粒尺寸統(tǒng)計分布結(jié)果表明其晶粒尺寸呈正態(tài)分布，平均晶粒尺寸為～30 nm。

上述的透射電鏡觀察結(jié)果可以表明，經(jīng)過RASP技術(shù)表面納米化處理后，3Cr2W8V鋼的最表面晶粒尺寸細(xì)化至納米尺度，平均晶粒尺寸30nm。樣品橫截面的大量透射電鏡觀察可以看到，從樣品最表面到樣品心部，材料的變形量與變形速率逐步降低，導(dǎo)致樣品晶粒尺寸細(xì)化效果越來越不明顯，呈明顯梯度分布。晶粒細(xì)化主要來自位錯組織的不斷演化，從200μm深處的高密度位錯墻（DDWs）和位錯纏繞（DTs）組織，到20μm深處的帶狀組織，最后到最表面的納米晶組織。

2.3 RASP處理后的表層硬度的變化

圖6為最大加載載荷為15mN時測得的RASP處理后樣品的硬度距處理表面距離的變化情況?？梢钥闯鰳悠繁砻娼?jīng)過納米化處理后，表層的硬度明顯提高，在距表面約15μm處硬度達(dá)到了約8.08GPa，明顯高于原樣品的7.3GPa。隨著距表面距離的增加，壓痕深度明顯增加，硬度值逐漸降低。在最表層至100μm左右的納米結(jié)構(gòu)層內(nèi)硬度下降較快，此后下降較緩慢直至在約200μm深度處降到了基體的硬度值， 并趨于穩(wěn)定，由此可以看出塑性變形層的厚度大約為200μm，這一結(jié)論與橫截面掃描電鏡塑性變形層厚度的觀察一致。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過RASP技術(shù)表面納米化處理后，3Cr2W8V鋼的最表面晶粒尺寸細(xì)化至納米尺度，平均晶粒尺寸30nm。晶粒細(xì)化由位錯行為主導(dǎo)，樣品微觀組織隨深度不同呈梯度分布。

（2）RASP技術(shù)表面納米化處理后，3Cr2W8V鋼的表面硬度獲得明顯提高。

參考文獻(xiàn)：

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