李 陽， 李凈凱， 鄒 云， 劉書豪， 李大磊

(鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

316L不銹鋼屬于鉻鎳不銹鋼，是典型的奧氏體不銹鋼，有極其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能，無論在常溫還是高溫狀態(tài)下都是面心立方結(jié)構(gòu)[1]。316L不銹鋼還有良好的耐高溫、抗氧化和抗腐蝕性能，并且由于添加了鉬元素，還具有較好的耐海水侵蝕性能[2]。因此，316L不銹鋼被廣泛應(yīng)用于化工、海洋、生物醫(yī)藥和航空航天等領(lǐng)域。零件在實際服役過程中的失效多源于表面的破壞[3]。316L不銹鋼硬度低，耐磨性差，在服役過程中表面很容易磨損，縮短服役壽命，嚴(yán)重限制其應(yīng)用范圍。

梯度納米結(jié)構(gòu)是指材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸在空間上具有梯度變化，例如從表面到內(nèi)部的晶粒尺寸、硬度，從納米尺度連續(xù)增加到宏觀尺度。近年來，有研究證明，利用嚴(yán)重塑性變形技術(shù)(SPD)在金屬表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)表層，引入梯度應(yīng)力和應(yīng)變，能顯著提高金屬材料的力學(xué)性能、硬度和耐磨性能[4]。因此在316L不銹鋼表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)表層，可提高表面機(jī)械性能，在延長服役壽命方面具有重要的工程應(yīng)用價值。Wang等[5]利用表面機(jī)械滾壓處理(SMRT)在AISI 316L不銹鋼上構(gòu)造梯度納米結(jié)構(gòu)表層，表面平均晶粒尺寸約為40 nm，硬度為5.5 GPa。梯度納米結(jié)構(gòu)表層具有高應(yīng)變適應(yīng)能力和高硬度，能有效降低磨合階段的磨損量，顯著提高316L不銹鋼的耐磨性能。Azar等[6]利用噴丸技術(shù)對316L不銹鋼進(jìn)行改性處理，試驗發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼的硬度和抗疲勞性能顯著提高，合適的噴丸時間和鈍化處理還可以顯著改善鈍化層的擊穿電位、鈍化區(qū)腐蝕電流密度和腐蝕速率。雖然表面機(jī)械滾壓處理和噴丸處理能形成梯度納米結(jié)構(gòu)表層，但是處理后材料的表面粗糙度增大，對材料性能造成一定的負(fù)面影響。超聲納米表面改性(UNSM)技術(shù)是將超聲頻率振動沖擊和靜壓力結(jié)合，通過自由滾動的硬質(zhì)合金球傳遞到金屬表面，使金屬表面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，在獲得較高的表面硬度、較深的殘余應(yīng)力層和形變組織的同時改善表面粗糙度[7-8]。

本文采用超聲納米表面改性技術(shù)對316L不銹鋼表面進(jìn)行多次處理，構(gòu)造梯度納米結(jié)構(gòu)表層。利用硬度計、高速X-射線殘余應(yīng)力分析儀和微納米力學(xué)測試系統(tǒng)等研究梯度納米結(jié)構(gòu)表層的硬度場、殘余應(yīng)力場和微結(jié)構(gòu)場，以及不同處理次數(shù)下梯度納米結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗材料為316L奧氏體不銹鋼圓棒，化學(xué)成分為C(0.028%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、Mn(1.70%)、Si(0.38%)、Cr(16.11%)、Ni(13.18%)、Mo(2.16%)、P(0.031%)、S(0.004%)、N(0.004%)、Fe(余量)。材料經(jīng)過電火花線切割成長度為80 mm、直徑為12 mm的圓棒試樣。

1.2 超聲納米表面改性

采用山東華云機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的HC30C超聲納米表面改性設(shè)備進(jìn)行表面處理，圖1是超聲納米表面改性處理示意圖。沖擊頭直徑為10 mm，超聲振動頻率為28 kHz，振幅為5 μm，靜壓力由空氣壓縮機(jī)提供，大小為400 N，進(jìn)給速度為0.1 mm/r,主軸轉(zhuǎn)速為205 r/min。該過程在室溫下進(jìn)行，WC-Co球和試樣之間提供循環(huán)流動的潤滑劑。

圖1 UNSM處理示意圖(mm)Figure 1 Schematic of the UNSM process(mm)

1.3 試驗內(nèi)容

利用電火花線切割獲得試樣的截面樣品，用砂紙打磨(磨至6.5 μm)，進(jìn)行拋光。截面樣品經(jīng)過拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕液配比為V(鹽酸)∶V(硝酸)∶V(酒精)=2∶1∶2，時間為180 s。使用光學(xué)顯微鏡(OM，VHX-2000)觀測顯微組織。對截面試樣進(jìn)行電解拋光，電解拋光使用的電解質(zhì)溶液配比為V(磷酸)∶V(硫酸)=4∶1，電壓為7.8 V，電流為0.8 A，溫度為53 ℃，耗時90 s。使用掃描電鏡(Helios G4 CX)進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)試驗，觀測試樣截面顯微組織的梯度變化。

使用NPFLEX 3D表面測量系統(tǒng)(Bruker Nano Inc)對試樣的三維形貌和表面粗糙度進(jìn)行表征。測量方式是點測，單點覆蓋面積為2.5 mm×1.9 mm，每個試樣測5個點，取其平均值。

使用高速X-射線殘余應(yīng)力分析儀(LXRD，PROTO，Canada)測量試樣的殘余應(yīng)力，電壓為30 kV，電流為25 mA，Mn靶Kα輻射，光斑直徑為0.5 mm。Mn靶Kα輻射用于確定奧氏體(311)衍射峰，波長為2.103 14 ?。殘余壓力測試根據(jù)ASTM：E915-16[9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用sin2ψ方法。每層測3個點，取平均值。為了獲得距表面不同深度的殘余應(yīng)力值，通過電化學(xué)拋光方法，逐步去除樣品的表面層。拋光液為飽和NaCl溶液，電壓為30 V。

使用顯微硬度測試儀(HV-1000)測量試樣截面的梯度硬度，力為1.96 N，保持時間為10 s，在同一層不同位置測3個點，取平均值。

使用微納米力學(xué)測試系統(tǒng)(PB1000，NANOVEA，USA)進(jìn)行劃痕試驗，載荷為8 N，劃痕長度為1 mm。在劃痕試驗中，使用了頂角為120°的圓錐形壓頭，金剛石尖端半徑為200 μm。從劃痕試驗中得到摩擦系數(shù)μ(μ為摩擦力與法向力的比值)。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖2所示，UNSM處理過程中在試樣表層引起梯度應(yīng)變，沿試樣截面形成梯度納米結(jié)構(gòu)。圖2(a)為316L不銹鋼原始試樣橫截面金相圖，圖中顯示的是典型的奧氏體組織。經(jīng)過1次UNSM處理后，在試樣U1的頂表層中形成了1個厚度約為83 μm的梯度納米結(jié)構(gòu)表層。此時表層的原始晶粒在與樣品表面平行的方向上被壓縮和拉長，表明在UNSM處理期間由于超聲頻率撞擊而出現(xiàn)塑性變形區(qū)。在高應(yīng)變率下，原始的粗晶在UNSM處理過程中發(fā)生細(xì)化。

圖2 試樣的橫截面微觀結(jié)構(gòu)Figure 2 Cross-sectional microstructure of samples

經(jīng)UNSM處理2次，試樣U2的梯度納米結(jié)構(gòu)表層的厚度增加至125 μm。經(jīng)過3次處理，試樣U3的梯度納米結(jié)構(gòu)表層厚度增大至175 μm。通過進(jìn)一步加工，經(jīng)過4次處理后在試樣U4表層形成更深的梯度納米結(jié)構(gòu)表層約200 μm。梯度納米結(jié)構(gòu)表層的整體深度隨著處理次數(shù)的增加而明顯增加。

如U4試樣的截面金相所示，梯度納米結(jié)構(gòu)表層可以分為3個不同的區(qū)域：①表面嚴(yán)重變形區(qū)域a，嚴(yán)重變形的微觀結(jié)構(gòu)很難被光學(xué)顯微鏡識別，這一層中幾乎所有的晶粒都發(fā)生了細(xì)化，嚴(yán)重變形區(qū)厚度約為50 μm；②受剪切應(yīng)力影響的過渡層b，在此層中，晶粒被壓縮和拉長；③具有粗晶邊界的基體c，在此層中，晶粒保留原始的奧氏體粗晶組織[10]。

為了更好地研究UNSM后的微觀結(jié)構(gòu)特征，對UNSM處理3次試樣U3進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)處理，結(jié)果如圖3所示。由于在UNSM處理后試樣表層中引入了較大的應(yīng)變，電子背散射衍射不能顯示試樣表層的納米晶粒，因此對距表面深度約120 μm以下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。UNSM處理后，316L不銹鋼表面晶粒明顯細(xì)化，從材料的上表面到內(nèi)部縱深方向呈梯度分布。晶粒的擇優(yōu)取向為<111>方向。在圖3(b)中，藍(lán)色表示小角度晶界(晶粒角度<15°)，紅色表示高角度晶界。在塑性變形層內(nèi)，小角度晶界的密度隨著距表面距離的增加而減小，表明塑性變形的程度降低[11]。

圖3 U3試樣的微觀結(jié)構(gòu)Figure 3 Microstructure of U3 sample

2.2 顯微硬度

圖4顯示了UNSM處理和未處理試樣的橫截面顯微硬度分布。316L奧氏體不銹鋼的基體的硬度為273 HV0.2。未處理試樣的表面顯微硬度為306 HV0.2，這可能是加工過程引起加工硬化的原因。與未處理試樣相比，UNSM處理后試樣的表面顯微硬度有所提高?？梢钥吹?，UNSM處理次數(shù)為1、2、3、4次時表面顯微硬度的最大值約為326、360、379、405 HV0.2。UNSM處理4次后，顯微硬度的最大值從306 HV0.2增加到405 HV0.2，增加了32.4%。

圖4 試樣的截面顯微硬度分布Figure 4 Cross-sectional microhardness distributions of samples

顯微硬度沿深度方向呈梯度分布，隨著距表面深度的增加而降低，直到穩(wěn)定在273 HV0.2。顯微硬度的增加是加工硬化和晶粒細(xì)化以及引入殘余應(yīng)力的結(jié)果。根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒細(xì)化可有效提高材料的硬度和強(qiáng)度。殘余應(yīng)力對材料的表面硬度也有一定的影響。由于靠近表面處的變形應(yīng)變和應(yīng)變速率較高，因此在靠近表面處可以觀察到更顯著的顯微硬度提高[11]。

UNSM處理的次數(shù)越多，材料表面的塑性變形程度越嚴(yán)重，塑性變形層越厚。因此，試樣U4中的硬化層變深。此外，UNSM處理次數(shù)越多，表面加工硬化效果越明顯，晶粒細(xì)化程度越高，殘余應(yīng)力越高，顯微硬度增加幅度越大。但是過度的加工硬化會導(dǎo)致316L不銹鋼表面質(zhì)量變差，因此要選擇合適的UNSM處理次數(shù)。

2.3 粗糙度和表面形貌

圖5是不同UNSM處理次數(shù)下試樣的表面形貌?？梢杂^察到，未經(jīng)處理的試樣U0上存在許多明顯的劃痕。UNSM處理向金屬表面?zhèn)鬟f超聲振動和靜載荷，造成金屬表面層發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形。UNSM處理1次的試樣U1的表面劃痕被消除，劃痕被壓扁形成許多褶皺。隨著UNSM處理次數(shù)的增加,試樣U2和試樣U3的表面逐漸均勻化。然而，UNSM處理4次時，過度的加工硬化開始對表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖5 試樣的表面形貌Figure 5 Surface morphology of samples

圖6顯示了未處理試樣和UNSM處理后試樣的表面粗糙度。未處理試樣的表面粗糙度約為0.52 μm。與未處理試樣相比，隨著UNSM處理次數(shù)的增加，表面粗糙度顯著降低。處理次數(shù)為1、2、3、4次的試樣表面粗糙度分別降至0.085、0.081、0.080、0.099 μm。UNSM處理過的試樣表面粗糙度降低是由于加工尖端WC-Co球的自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且UNSM過程中使用潤滑油。WC-Co球和試樣接觸區(qū)之間的摩擦相對較小。因此，UNSM過程將降低表面粗糙度[11-12]。然而，UNSM處理4次的試樣U4的粗糙度略有增加。粗糙度測量結(jié)果與表面形貌(圖5)的分析一致，表明過度加工硬化對表面性能有負(fù)面影響。因此，在經(jīng)過UNSM處理后，需要注意表面質(zhì)量，確定所選的UNSM處理參數(shù)是否合適。

圖6 試樣的表面粗糙度Figure 6 Surface roughness of the samples

2.4 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是表面性能的重要特征，有利于提高穩(wěn)定性，抑制表面裂紋萌生和擴(kuò)展[13-14]。圖7列出了每個試樣殘余應(yīng)力沿深度方向的分布。材料的加工過程會產(chǎn)生塑性變形，對表面應(yīng)力狀態(tài)有輕微影響，所以未處理試樣表層有殘余應(yīng)力，其值為-413 MPa。

圖7 UNSM處理次數(shù)對殘余應(yīng)力的影響Figure 7 Effect UNSM treatment times on residual stress

經(jīng)UNSM處理后的試樣，隨著處理次數(shù)的增加，表面殘余應(yīng)力增大。UNSM處理1、2、3、4次后，試樣表面的殘余應(yīng)力值分別為-992、-1 044、-1 108、-1 193 MPa。處理次數(shù)不同引起的塑性變形程度也不同，得到的殘余應(yīng)力值也不同。試驗結(jié)果表明，隨著處理次數(shù)的增加，UNSM處理試樣的殘余應(yīng)力會越來越大。這是因為靜壓力和超聲頻率的沖擊結(jié)合在試樣表層形成嚴(yán)重變形層，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。變形層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有利于機(jī)械性能的提高。

UNSM處理后試樣的殘余應(yīng)力隨著深度增加逐漸減弱，殘余應(yīng)力的有效深度約為1 100 μm。不同UNSM處理次數(shù)的試樣，殘余應(yīng)力的深度基本沒有變化，這和預(yù)期的一致：UNSM過程引起近表面變形，對深度的影響有限。經(jīng)過1次UNSM處理，殘余應(yīng)力有效深度約為1 100 μm，因此，具有相同能量的多次UNSM處理很難增加硬化層的厚度，只會增加表面殘余應(yīng)力。這種強(qiáng)化機(jī)制可以在不同的表面強(qiáng)化技術(shù)中發(fā)現(xiàn)，如磨料水射流。Zou等[15]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合磨料水射流可以顯著增加18CrNiMo7-6鋼的表面殘余應(yīng)力(從-1 024 MPa到-1 455 MPa)，但殘余應(yīng)力的深度沒有變化。然而，需要注意的是，UNSM處理次數(shù)過多，316L不銹鋼表面過度加工硬化，對表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，如圖5所示。因此，需要綜合考慮選擇合理的UNSM處理參數(shù)。

2.5 耐磨性能

圖8顯示的是不同UNSM處理次數(shù)試樣的摩擦系數(shù)。未處理試樣U0的摩擦系數(shù)曲線極不穩(wěn)定，劇烈波動，這可能是由于未處理試樣表面硬度低且表面粗糙度比較大。UNSM處理試樣的摩擦系數(shù)相對穩(wěn)定，磨損過程分為2個階段：跑合階段和穩(wěn)定磨損階段。跑合階段試樣摩擦系數(shù)快速上升，不穩(wěn)定[16]，試樣U1的摩擦系數(shù)在跑合階段上升至0.122，隨后降低至0.112，最終達(dá)到穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)為0.125。試樣U2、U3和U4的摩擦系數(shù)的趨勢和U1類似。不同的是，試樣U2穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)為0.120，試樣U3和U4穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)均為0.117。但是從摩擦系數(shù)系數(shù)曲線分析，在達(dá)到穩(wěn)定階段前，試樣U4的摩擦系數(shù)明顯高于試樣U3。

圖8 試樣的摩擦系數(shù)Figure 8 Coefficient of friction of samples

根據(jù)Archard定律[17]，材料的高硬度和強(qiáng)度有利于提高耐磨性能。Hall-Petch關(guān)系表明隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度和硬度有極大的提高[18]。UNSM處理后試樣的表面存在晶粒細(xì)化，晶粒尺寸減小到納米級，材料的強(qiáng)度和硬度得到提高，試樣的耐磨性能得到改善。其他研究也證明了這一點。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)，采用SMRT技術(shù)在316L不銹鋼表面構(gòu)造的梯度納米結(jié)構(gòu)具有高應(yīng)變適應(yīng)能力和高硬度，能顯著提高316L不銹鋼的耐磨性能。

當(dāng)UNSM處理次數(shù)增加至4次時效果更好，可提高表面變形層的硬度和殘余應(yīng)力，如圖4和圖7所示。但是試樣U4的摩擦系數(shù)增加。這可能是由于當(dāng)處理次數(shù)超過3次時，對表面性能產(chǎn)生負(fù)面影響。由圖5、6可知，UNSM處理4次的試樣U4過度加工硬化，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差，摩擦系數(shù)上升。

3 結(jié)論

本文對不同UNSM處理次數(shù)下316L不銹鋼的顯微組織和耐磨性能進(jìn)行了評價。主要結(jié)論如下：

(1)UNSM處理可以在316L不銹鋼表面形成梯度納米結(jié)構(gòu)表層，UNSM處理4次形成的梯度納米結(jié)構(gòu)表層厚度約為200 μm。

(2)多次UNSM處理可在316L不銹鋼表層引入較高的殘余應(yīng)力和硬度以及較低的表面粗糙度。當(dāng)處理次數(shù)達(dá)到4次時，耐磨性能會因表面層過度加工硬化而惡化。

(3)UNSM處理3次時，試樣表面質(zhì)量最好，可有效提高耐磨性能。