超聲納米表面改性對316L不銹鋼耐磨性能的影響

李 陽， 李凈凱， 鄒 云， 劉書豪， 李大磊

(鄭州大學 機械與動力工程學院，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)異的化學穩(wěn)定性和機械加工性能，無論在常溫還是高溫狀態(tài)下都是面心立方結構[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不銹鋼被廣泛應用于化工、海洋、生物醫(yī)藥和航空航天等領域。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，嚴重限制其應用范圍。

梯度納米結構是指材料的結構單元尺寸在空間上具有梯度變化，例如從表面到內部的晶粒尺寸、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，利用嚴重塑性變形技術(SPD)在金屬表面制備梯度納米結構表層，引入梯度應力和應變，能顯著提高金屬材料的力學性能、硬度和耐磨性能[4]。因此在316L不銹鋼表面制備梯度納米結構表層，可提高表面機械性能，在延長服役壽命方面具有重要的工程應用價值。Wang等[5]利用表面機械滾壓處理(SMRT)在AISI 316L不銹鋼上構造梯度納米結構表層，表面平均晶粒尺寸約為40 nm，硬度為5.5 GPa。梯度納米結構表層具有高應變適應能力和高硬度，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]利用噴丸技術對316L不銹鋼進行改性處理，試驗發(fā)現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。雖然表面機械滾壓處理和噴丸處理能形成梯度納米結構表層，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面影響。超聲納米表面改性(UNSM)技術是將超聲頻率振動沖擊和靜壓力結合，通過自由滾動的硬質合金球傳遞到金屬表面，使金屬表面發(fā)生嚴重塑性變形，在獲得較高的表面硬度、較深的殘余應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對316L不銹鋼表面進行多次處理，構造梯度納米結構表層。利用硬度計、高速X-射線殘余應力分析儀和微納米力學測試系統等研究梯度納米結構表層的硬度場、殘余應力場和微結構場，以及不同處理次數下梯度納米結構的耐磨性能。

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，化學成分為C(0.028%，質量分數，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

采用山東華云機電科技有限公司生產的HC30C超聲納米表面改性設備進行表面處理，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提供，大小為400 N，進給速度為0.1 mm/r,主軸轉速為205 r/min。該過程在室溫下進行，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)，進行拋光。截面樣品經過拋光后進行腐蝕，腐蝕液配比為V(鹽酸)∶V(硝酸)∶V(酒精)=2∶1∶2，時間為180 s。使用光學顯微鏡(OM，VHX-2000)觀測顯微組織。對截面試樣進行電解拋光，電解拋光使用的電解質溶液配比為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(Bruker Nano Inc)對試樣的三維形貌和表面粗糙度進行表征。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-射線殘余應力分析儀(LXRD，PROTO，Canada)測量試樣的殘余應力，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ASTM：E915-16[9]標準進行，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力值，通過電化學拋光方法，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。

使用微納米力學測試系統(PB1000，NANOVEA，USA)進行劃痕試驗，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μ(μ為摩擦力與法向力的比值)。

2 結果與分析

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變，沿試樣截面形成梯度納米結構。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的梯度納米結構表層。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塑性變形區(qū)。在高應變率下，原始的粗晶在UNSM處理過程中發(fā)生細化。

圖2 試樣的橫截面微觀結構Figure 2 Cross-sectional microstructure of samples

經UNSM處理2次，試樣U2的梯度納米結構表層的厚度增加至125 μm。經過3次處理，試樣U3的梯度納米結構表層厚度增大至175 μm。通過進一步加工，經過4次處理后在試樣U4表層形成更深的梯度納米結構表層約200 μm。梯度納米結構表層的整體深度隨著處理次數的增加而明顯增加。

如U4試樣的截面金相所示，梯度納米結構表層可以分為3個不同的區(qū)域：①表面嚴重變形區(qū)域a，嚴重變形的微觀結構很難被光學顯微鏡識別，這一層中幾乎所有的晶粒都發(fā)生了細化，嚴重變形區(qū)厚度約為50 μm；②受剪切應力影響的過渡層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后的微觀結構特征，對UNSM處理3次試樣U3進行電子背散射衍射(EBSD)處理，結果如圖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以下的微觀結構進行表征。UNSM處理后，316L不銹鋼表面晶粒明顯細化，從材料的上表面到內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，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試樣的微觀結構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?？梢钥吹剑琔NSM處理次數為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化以及引入殘余應力的結果。根據Hall-Petch公式，晶粒細化可有效提高材料的硬度和強度。殘余應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變和應變速率較高，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處理的次數越多，材料表面的塑性變形程度越嚴重，塑性變形層越厚。因此，試樣U4中的硬化層變深。此外，UNSM處理次數越多，表面加工硬化效果越明顯，晶粒細化程度越高，殘余應力越高，顯微硬度增加幅度越大。但是過度的加工硬化會導致316L不銹鋼表面質量變差，因此要選擇合適的UNSM處理次數。

2.3 粗糙度和表面形貌

圖5是不同UNSM處理次數下試樣的表面形貌?？梢杂^察到，未經處理的試樣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量產生負面影響。

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處理次數的增加，表面粗糙度顯著降低。處理次數為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面影響。因此，在經過UNSM處理后，需要注意表面質量，確定所選的UNSM處理參數是否合適。

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

2.4 殘余應力

殘余應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展[13-14]。圖7列出了每個試樣殘余應力沿深度方向的分布。材料的加工過程會產生塑性變形，對表面應力狀態(tài)有輕微影響，所以未處理試樣表層有殘余應力，其值為-413 MPa。

圖7 UNSM處理次數對殘余應力的影響Figure 7 Effect UNSM treatment times on residual stress

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

UNSM處理后試樣的殘余應力隨著深度增加逐漸減弱，殘余應力的有效深度約為1 100 μm。不同UNSM處理次數的試樣，殘余應力的深度基本沒有變化，這和預期的一致：UNSM過程引起近表面變形，對深度的影響有限。經過1次UNSM處理，殘余應力有效深度約為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力。這種強化機制可以在不同的表面強化技術中發(fā)現，如磨料水射流。Zou等[15]研究發(fā)現，復合磨料水射流可以顯著增加18CrNiMo7-6鋼的表面殘余應力(從-1 024 MPa到-1 455 MPa)，但殘余應力的深度沒有變化。然而，需要注意的是，UNSM處理次數過多，316L不銹鋼表面過度加工硬化，對表面質量產生負面影響，如圖5所示。因此，需要綜合考慮選擇合理的UNSM處理參數。

2.5 耐磨性能

圖8顯示的是不同UNSM處理次數試樣的摩擦系數。未處理試樣U0的摩擦系數曲線極不穩(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快速上升，不穩(wěn)定[16]，試樣U1的摩擦系數在跑合階段上升至0.122，隨后降低至0.112，最終達到穩(wěn)定階段，摩擦系數為0.125。試樣U2、U3和U4的摩擦系數的趨勢和U1類似。不同的是，試樣U2穩(wěn)定階段的摩擦系數為0.120，試樣U3和U4穩(wěn)定階段的摩擦系數均為0.117。但是從摩擦系數系數曲線分析，在達到穩(wěn)定階段前，試樣U4的摩擦系數明顯高于試樣U3。

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

根據Archard定律[17]，材料的高硬度和強度有利于提高耐磨性能。Hall-Petch關系表明隨著晶粒尺寸的減小，材料的強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化，晶粒尺寸減小到納米級，材料的強度和硬度得到提高，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，采用SMRT技術在316L不銹鋼表面構造的梯度納米結構具有高應變適應能力和高硬度，能顯著提高316L不銹鋼的耐磨性能。

當UNSM處理次數增加至4次時效果更好，可提高表面變形層的硬度和殘余應力，如圖4和圖7所示。但是試樣U4的摩擦系數增加。這可能是由于當處理次數超過3次時，對表面性能產生負面影響。由圖5、6可知，UNSM處理4次的試樣U4過度加工硬化，導致表面質量變差，摩擦系數上升。

3 結論

本文對不同UNSM處理次數下316L不銹鋼的顯微組織和耐磨性能進行了評價。主要結論如下：

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

(2)多次UNSM處理可在316L不銹鋼表層引入較高的殘余應力和硬度以及較低的表面粗糙度。當處理次數達到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，試樣表面質量最好，可有效提高耐磨性能。