168体育

摘 要： 利用球盘式试验机研究了高能喷丸、喷丸抛光及原始样品在干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损行为． 结果表明：高能喷丸使 Ｑ２３５ 钢表面纳米化的同时在表面产生大量凹坑，干摩擦下高能喷丸及其抛光样品的磨损量均大于原始样品；由于表面凹坑的储油作用，在液体石蜡润滑下高能喷丸样品的磨损量小于原始样品， ３ 种样品的摩擦系数均接近 ０． １；当液体石蜡中加入 ＺＤＤＰ 后，由于纳米化表面的活性高，高能喷丸样品的耐磨性提高幅度更为显著，在 ３５ Ｎ 载荷下是原始样品的 １． ６３ 倍，是喷丸抛光样品的 １． ２６ 倍．本文由抛丸机厂家整理
关键词： Ｑ２３５ 钢；表面纳米化；高能喷丸；摩擦磨损；油润滑

金 属 材 料 在 高 能 喷 丸 ＨＥＰ （ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙｐｅｅｎｉｎｇ） 等外加能量作用下，原表面的粗晶组织被逐步细化而形成纳米晶，在表面获得具有*定厚度的纳米层，实现表面纳米化［１］ ． 通过对块体材料进行表面纳米化，有望采用低成本的工艺技术大幅度提高工程部件的力学性能、抗疲劳性能，耐腐蚀性能和耐磨性［２ － １５］，提高材料的性价比． 研究纳米化表面的摩擦磨损性能，对该技术的实际应用具有重要意义． 文献［５ － １５］报道的有关材料表面纳米化前后的干摩擦磨损试验结果表明：低碳钢纳米化表面在干摩擦时*定载荷范围内的耐磨性有所提高；中碳钢则出现了高载荷下耐磨性降低的情况． 但是已有的结果只是在干摩擦条件下取得的，对低碳钢纳米化表面在油润滑下的摩擦磨损性能还没有介绍，且喷丸前后表面粗糙度 Ｒａ 值的结果及对摩擦磨损的影响也值得商榷，其磨损机理仍需进行深入分析

利用纳米化表面化学活性高的特性，可望在油润滑 工 况 下 更 好 地 形 成 润 滑 膜 而 改 善 耐 磨性［７ － ８，１４ － １５］，但有关低碳钢高能喷丸表面纳米化在油润滑条件下的摩擦磨损行为的研究尚未见报道．此外，喷丸后的表面粗糙度有所增加［１６ － １７］，表面形貌的改变不仅会影响摩擦学性能，而且也与工程应用密切相关，因此如何评价高能喷丸前后即 ２ 种表面形貌完全不同样品的摩擦学性能值得探讨．
Ｑ２３５ 钢是广泛应用在机械部件上的低碳钢，采用表面纳米化提高其使役性能可望大幅度提高技术经 济 效 益． 本 文 利 用 高 能 喷 丸 技 术 制 备 了Ｑ２３５ 钢表面纳米化样品，对比研究其在干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损行为，分析纳米化表面的减摩耐磨原因，为在低碳钢上实际应用表面纳米化技术提供参考．
１ 实验部分
１． １ 样品
所用材料为商品标准的 Ｑ２３５ 钢， 采用文献［１ － ２］介绍的高能喷丸工艺方法进行表面纳米化．
制备前样品经 ６００ 号氧化铝砂纸机械磨光使表面粗糙度 Ｒａ 值达到 ０． ３ μｍ． 喷丸的主要工艺参数是：系统的振动频率 ５０ Ｈｚ，不锈钢弹丸直径 ８ ｍｍ，样品与弹丸的距离为 ２５ ｍｍ，在 Ａｒ 气氛中处理 ６０ ｍｉｎ．
高能喷丸后的样品（ ＨＥＰ） 表面产生大量凹坑，表面粗糙度 Ｒａ 值增加到 ２． ２ μｍ． 为达到实际应用中对工件表面平整光洁的要求，将喷丸样品再进行机械抛光制成喷丸抛光样品（ Ｐｏｌｉｓｈｅｄ ＨＥＰ），使其表面粗糙度 Ｒａ 值与原始样品（ Ｏｒｉｇｉｎａｌ） *致，约为０． ３ μｍ． 图 １ 为 ３ 种样品表面形貌的照片．

图 １ ３ 种样品的表面形貌照片

１． ２ 方法
用 Ｄ ／ｍａｘ ２４００ 型 Ｘ 射线衍射仪（ＸＲＤ）对喷丸样品表层结构进行参量表征． 根据 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ － Ｗｉｌｓｏｎ方程［１８］，由衍射线宽化计算出平均晶粒尺寸和微观应变． 采用 ＳＨＩＭＡＤＺＵ 型显微硬度计测量样品横截面的硬度，载荷 ０． ２５ Ｎ，加载时间 １０ ｓ．
利用 ＣＪＳ１１１Ａ 型球盘式试验机进行干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损试验． 润滑油有 ２ 种，分别
为液体石蜡（ＬＰ）和 ＬＰ 中添加 ０． ２５％ 的二烷基二硫代磷酸锌（ＺＤＤＰ）． 摩擦副为球盘接触形式，盘样品尺寸 ２５ ｍｍ × ２５ ｍｍ × ５ ｍｍ，对摩副为 ６ ｍｍ 的Ｓｉ３ Ｎ４ 陶瓷球（Ｒａ小于 ０． １ μｍ），线速度 ０． ２５ ｍ ／ｓ，行程 ２２５ ｍ． 干摩擦时载荷分别为 ２、４、７ 和 １０ Ｎ，在油润滑下载荷分别为 ８、１４、１８、２５ 和 ３５ Ｎ． 采用２２０１ 型表面形貌仪测量磨痕的横截面积，计算磨损体积作为磨损量． 用 ＸＬ － ３０ＦＥＧ 扫描电镜观测磨痕形貌． 用 ＥＳＣＡＬＡＢ２５０ 多功能表面分析系统对 ＬＰ ＋ＺＤＤＰ 油润滑磨损试验后的磨痕表面进行 Ｚｎ、Ｓ 元素含量随磨痕深度变化的检测．
２ 结果及讨论
２． １ 表层结构及硬度
对 Ｑ２３５ 钢高能喷丸表面纳米化工艺的效果在文献中已有介绍，ＴＥＭ 像及选区电子衍射花样的结果都证明表面层晶粒已细化为纳米晶，基本呈等轴状［２］ ． Ｑ２３５ 钢高能喷丸后样品的横截面金相照片（５％ 硝酸酒精腐蚀），可见样品表面出现严重塑性变形层，厚度约为 ６０ μｍ． 经过 ＸＲＤ 分析计算（图 ３），得出高能喷丸样品表层的晶粒尺寸约为２０ ｎｍ，证实了 Ｑ２３５ 钢的表面纳米化．
测定高能喷丸、喷丸抛光和原始 ３ 种样品的硬度与距表面深度的变化情况，可见基体硬度约为 ＨＶ ２５２，高能喷丸后样品在距离表面 ３０ μｍ 范围内硬度提高为ＨＶ３５０ ～ ４３０，抛光喷丸的样品达到 ＨＶ ３１５ ～ ３８０． 显然由表面纳米化产生的晶粒细化和加工硬化等综合作用，达到了表面强化效果． 但硬度增加只是为提高材料的耐磨性提供了基础条件，在滑动磨损中会在*定程度上抗犁削而改善耐磨性，若因硬度提高而造成了塑性或抗疲劳性的降低则会影响耐磨性［１９］ ． 要发挥高能喷丸的表面强化对提高耐磨性的作用，必须选择适应其服役工况的条件．
２． ２ 干摩擦下的摩擦磨损
３ 种样品在干摩擦下磨损量随载荷的变化曲线可以看出． 其磨损量均随载荷增加而加大，原始样品和喷丸抛光样品基本呈线性增长关系，而喷丸样品则在高载荷下磨损量急剧增大． 高能喷丸后虽然表面硬度大幅提高，但在干摩擦下却表现出磨损加剧的现象． 喷丸抛光后样品的磨损量虽有所减小，但仍高于原始样品．

喷丸样品表面存在大量凹坑，实际承载面积减小，相同载荷下的接触应力变大，而且加工硬化使其表面材料的塑性变形能力大幅降低，因此在超过断裂强度的应力作用下，更易出现脆性特征． 在较大载荷的硬陶瓷球的犁削下样品磨损严重，出现明显的犁沟、层状剥落和脆性坑点． 抛光喷丸样品由于表面粗糙度得到改善，使实际承载面积与抛光前相比有所增加，承受*样的载荷时因实际接触应力变小而磨损量有明显下降． 但由于表面的层状结构和硬化造成的塑性下降，较原始样品更易发生脆断和剥落，故磨损量仍较大． 喷丸抛光样品干摩擦的磨痕形貌，与喷丸样品相比犁沟较浅，但也有层状剥落． 而原始样品表层组织均匀，在磨损过程中具有较好的塑性变形能力和加工硬化能力，可以平稳地承载并消耗摩擦功，没有明显的脆断和剥落使其磨损量较小． 其磨痕表面形貌比较均匀，并以浅犁沟为主．

载荷下与Ｓｉ３ Ｎ４ 陶瓷球对摩时的摩擦系数． 喷丸样品的摩擦系数随载荷增加逐渐降低；在小载荷下，样品表面大量的硬质凹坑和凸峰能阻碍陶瓷球的滑动，摩擦系数大到超过 １；载荷增大，使实际接触应力增加，样品易被犁削并磨平凹坑，从而使摩擦系数降低． 原始样品与之相反，其摩擦系数随载荷增加而增大；当载荷达到 １０ Ｎ 时与喷丸样品接近， 达到０ ９５ 左右． 其原因在于原始样品干摩擦时能产生相当的塑性变形和加工硬化，在大载荷下残余塑变使对摩副之间易产生黏着，还使磨痕加工硬化的程度加大和剪切阻力增加，因此摩擦系数会随载荷增加而增大． 摩擦系数的对比也说明在大载荷下，喷丸样品因脆断剥落机制的作用而更容易被磨损，抛光后因增加实际接触面积减小应力而改善耐磨性，原始样品则 无 磨 损 机 制 的 转 变 而 能 保 持 较 小 的磨损率．
２． ３ 油润滑下的摩擦磨损
在干摩擦下，纳米化样品并未因表面硬度的提高而改善耐磨性， 如果利用纳米表面凹坑可以储油［２０］ 的特点和纳米晶的化学活性［７，１４，２１］ ，则可能有利于润滑油膜的形成和保持，在油润滑下表现出比原始样品的微米晶表面好的减摩耐磨性能．
用液体石蜡（ＬＰ）润滑、经 １５ ｍｉｎ 摩擦试验后的 ３ 种样品的磨损量和平均摩擦系数与载荷的关系曲线． 与干摩擦相比，虽然其磨损量仍随载荷增加而加大，但数值却均出现大幅度降低，其中喷丸样品的耐磨效果更为显著，其磨损量由干摩擦时的较大变为在本试验各载荷下均小于原始和喷丸抛光样品． 而喷丸抛光样品的单位载荷磨损率也小于原始样品，磨损量与原始样品在高载荷下出现交叉的现象． 其中喷丸抛光样品在小载荷下的磨损量较大

３ 结论
ａ． Ｑ２３５ 钢通过高能喷丸实现表面纳米化，在硬度提高的同时表面粗糙度增加，表面产生大量凹坑，利于储存润滑油．
ｂ． 在干摩擦工况下，Ｑ２３５ 钢高能喷丸及喷丸抛光样品的磨损量和摩擦系数均大于原始样品，不适合发挥纳米化表面的作用；在油润滑下，喷丸样品在各载荷下的磨损量均小于原始样品，而喷丸抛光样品的磨损量在高载荷下小于原始样品，三者的摩擦系数基本*致，接近 ０． １，纳米化表面能表现出较好的摩擦学性能．本文由抛丸机厂家整理
ｃ． 高能喷丸使 Ｑ２３５ 钢纳米化样品具有较高的表面活性，在 ＬＰ ＋ ＺＤＤＰ 润滑下比原始样品更易形成润滑膜，提高材料的减摩耐磨性；其相对耐磨性在 ３５Ｎ 载荷下是原始样品的 １． ６３ 倍，是喷丸抛光样品的 １． ２６ 倍