超声深滚法提高电弧喷油3Cr13 涂层性能

2. 装备指挥技术学院士官系 北京 102249) 摘要：利用超声深滚(Ultrasonic deep rolling, UDR)技术对钢基体电弧喷油加工3Cr13 涂层进行表面复合强化处理，旨在改善涂层 的综合性能。采用扫描电镜、应力仪及球—盘式摩擦磨损试验机等设备检测和分析UDR 工艺对该涂层孔隙率、表面粗糙度、 残余应力、显微硬度、摩擦学性能等的影响。结果表明，UDR 工艺使该涂层的孔隙率从5.1%降为2.3 %；表面粗糙度Ra 由 40 μm 以上降为2.4 μm；表面残余压应力由8 MPa 提高到257 MPa；涂层显微硬度提高约45%，涂层摩擦学性能得到了明显 提高。且Bragg 衍射峰明显宽化、左移、峰强增大，这表明涂层晶粒明显细化、晶格畸变，且形成晶向平行表面的板织构。 同时分析和讨论UDR 工艺对提高3Cr13 涂层性能的影响机理。 电弧喷油加工是以电弧为热源，将熔化了的金属丝 材用高速气流雾化，并以高速喷到工件表面形成涂 层的一种工艺。该技术具有喷油加工效率高、喷油加工质量 * 北京市自然科学基金资助项目(3093027)。20090526 收到初稿， 20091113 收到修改稿 稳定、操作方便、安全性好、成本低廉、适应性强 等优点，在国内外得到了广泛的发展和应用[1-3]。但 是，电弧喷油加工涂层由于存在如下一些固有的问题而 大大限制了其在许多领域的直接应用，主要表现为： 孔隙率高、表面粗糙度高、内聚强度低、结合强度 低、存在残余张应力等[1-2]。现有的解决这些问题的 工艺(如激光熔覆)普遍过程比较复杂，需要专门的 工艺和昂贵的设备，并且需要引入附加高能热过程， 108 机 械 工 程 学 报 第46 卷第6 期期 同时还存在诸如结构热变形、残余张应力、龟裂等 问题，所以，这些工艺在理论和应用上可以说尚有 比较多的缺陷和限制。 超声深滚(Ultrasonic deep rolling, UDR)技术的 基本原理是采用可控的和优化的表面塑性变形强化 方法对喷油加工态的金属／合金涂层进行机械强化处 理。在强化工艺中，用一个光滑的刚性滚珠以恰当 的压力对涂层表面进行滚压和超声冲击，使涂层和 基体表面产生塑性流动。从而达到提高涂层结合强 度、提高涂层内聚强度、消除或减少涂层孔隙、微 裂纹，细化涂层组织，消除残余张应力，以提高涂 层的耐磨性、防腐性能和抗高周疲劳性能。 3Cr13(AISI420)不锈钢因价格低，性能优异(耐 磨、耐腐蚀等)，被广泛地应用于轴类零件的修复及 其他金属零件的表面强化[4-5]。本文拟采用超声深滚 技术对45 钢基体电弧喷油加工3Cr13 涂层进行复合强化 处理，旨在改善和提高3Cr13 涂层的综合性能。 1 试验材料及方法 1.1 试样材料及制备 试验基体材料为45 钢，尺寸为25.4 mm×6 mm。 表面用24 目棕刚玉进行喷砂处理后立即进行电弧 喷油加工3Cr13 涂层。喷油加工采用CMD21620 型电弧喷油加工 设备，喷油加工材料为直径2.0 mm 的实芯3Cr13 不锈 钢丝材。喷油加工工艺参数为：喷油加工电压32 V，喷油加工电 流180 A，喷油加工距离约200 mm，雾化空气压力0.65 MPa，涂层厚度约0.4 mm。 UDR 的试样制备是在ZXZ-40A 型数控铣床上 用自行设计研制的超声深滚和滚光一体化的表面强 化装置对涂层进行UDR 处理，UDR 工艺参数为： 超声波振动频率20 kHz，滚珠直径为8.0 mm (材料 是GCr15 钢，61HRC)，试样的纵向进给速度为100 mm/min，横向进给步距为0.1 mm。 1.2 试验方法 形貌与孔隙率观察、厚度测量采用QUANT-200 环境扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)。 显微硬度测量采用HVS 1000 数显显微硬度 计，所加载荷质量为200 g，加载时间为10 s，结果 取5 次测定数据的平均值。 粗糙度测量采用TR200 表面粗糙度仪，其测量 范围为Ra(−100 μm，40 μm)。 残余应力测量采用X-350A 型Ｘ射线应力测定 仪。测取方法为侧倾固定ψ 法，射线管电压为22 kV； 射线管电流为6.0 mA；射线产生为Cr 靶。 摩擦磨损设备为T-11 型高温摩擦磨损试验机。 球—盘式接触，固定的上试样为直径6.35 mm 的钢 球(材料是GCr15 钢，61HRC), 匀速圆周运动的下 试样为待测试块(尺寸为25.4 mm×6 mm)。试验条件 如表1 所示。用上、下试样的失重来评定试样的磨 损量。称重采用TG328A 分析天平，其精度为0.1 mg。由于喷油加工态的3Cr13 涂层原表面很粗糙，实际 应用的涂层大都经过磨光处理，所以为了模拟实际 工况，磨损试样均采用砂纸抛光至Ra≈1.2 μm。试 样磨损前后，分别在丙酮中用超声波清洗机清洗两 遍，每次10～15 min，清洗后，60 ℃烘干2 h。摩 擦磨损试验时，每组试样个数为3 个，取平均值为 最后结果。 表1 磨损试验条件 载荷F/N 滑速v/(m•s−1) 时间t/min 润滑条件磨程s/m 35 0.3 40 干摩擦 720 2 试验结果 2.1 表面形貌与表面粗糙度 图1 为电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后表 面形貌SEM 照片。可见，喷油加工态涂层表面较粗糙， 分布有大小不一的颗粒、孔隙与微裂纹，测得其表 面粗糙度超过了TR200 表面粗糙度仪的量程，即 Ra＞40 μm；经过UDR 处理后，涂层明显变光滑、 平整，表面粗糙度由Ra>40 μm 降为Ra=2.4 μm。这 是因为涂层在UDR 剧烈机械冲击和滚压作用下， 表面塑性变形强烈，使喷油加工态涂层的表面粗糙度在 很大程度上得到了“削峰填谷”，从而大幅降低了表 面粗糙度。 50 μm 50 μm (a) 未处理 (b) 处理 图1 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后的SEM 照片 2.2 组织结构与孔隙率 图2 为电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后剖 面形貌的SEM 照片。可见，涂层呈典型的波状起 伏的层状结构，氧化物质量分数较高，分布有较多 的孔洞，组织较疏松，涂层孔隙率约为5.1%。图2 中，黑色部分为孔隙与氧化物的夹杂，灰色部分为 氧化物，浅色部分是3Cr13。经过UDR 处理后，涂 层组织明显变致密，孔隙明显变少、变小，孔隙率 月2010 年3 月 黄元林等：超声深滚法提高电弧喷油加工3Cr13 涂层性能 109 降为约2.3%，尤其是距表面30 μm 厚的范围内在电 镜下放大1 000 倍未能观察到电弧喷油加工涂层常见的 波状起伏结构。其主要原因如下：① 在进行UDR 处理时由于表层材料的剧烈塑性变形导致位错增殖 和位错胞形成，最终使该表层材料产生了晶粒细化， 孔隙等缺陷消失或减少；② 由于冲击变形导致的瞬 时升温和剧烈的位错运动，可能使表层材料产生了 扩散。该表面高位错密度和超细晶层的形成不仅会 提高涂层的内聚强度、显微硬度和耐磨性，同时对 涂层的抗疲劳和抗接触疲劳性能也将有积极的 贡献。 20 μm 20 μm (a) 未处理 (b) 处理 图2 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后的SEM 照片 2.3 显微硬度 图3 是电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前后显微硬 度沿截面的分布图。可见，经UDR 处理后，涂层 显微硬度随着离表面距离的变化而变化，离表面距 离越小，显微硬度越高，影响距离约300 μm 左右， 在离表面约60 μm 处，显微硬度达到了最高值638 HV，提高了约45%。因为UDR 的强机械冲击与滚 压作用改变了涂层的组织和结构，产生了加工硬化 效应，消除了组织和结构的部分缺陷，提高了涂层 的显微硬度。 图3 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前后显微硬度沿截面的分布 2.4 涂层的残余应力 表2、图4 是电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前后的 表面应力测量结果及X 射线衍射图谱。可见，经 UDR 处理后，3Cr13 涂层表面残余压应力由8 MPa 提高到257 MPa。同UDR 处理前相比，UDR 处理 后涂层表面X-射线Bragg 衍射峰明显宽化、左移、 峰强明显增大。其中衍射峰宽化是晶粒细化和晶格 畸变共同影响的结果[6]；在ψ=0(晶粒法线方向与试 样表面垂直)时，衍射峰左移，2θ(θ 为Bragg 衍射角) 减小，晶粒间距d 增大，说明在平行试样表面方向 产生了残余压应力；峰强明显增大，说明涂层内参 与衍射的晶粒增多，即晶向平行试样表面的晶粒 增多。 表2 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前后ψ =0 时 表面应力测量结果 试样 衍射角 2θp/(°) 半高宽度 α1/(°) 积分宽度 α2/(°) 残余应力 σ/MPa 未处理 155.647 5.11 5.66 −8 处理 155.091 5.38 5.75 −257 图4 电弧喷油加工3Cr13 涂层超声深滚前后表面应力 测量X 射线衍射图谱 以上衍射结果表明，在UDR 的强机械冲击与 滚压作用下，涂层内晶粒明显细化并产生了一定的 晶格畸变和残余压应力，同时形成了晶向平行试样 表面的板织构。 2.5 涂层和基体的摩擦学性能 2.5.1 摩擦因数与磨损量分析 表3 为电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后摩 擦磨损试验结果。可见，电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 处理前后，磨损量分别为5.83 mg、3.20 mg，磨损 量减少了约45%，即相对耐磨性提高了近1 倍。 表3 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前后摩擦磨损试验结果 材料 摩擦 因数μ 磨损量 w/mg 对偶件磨 损量w'/mg 相对耐 磨性η 未处理0.21 5.83 3.08 1.0 处理 0.17 3.20 2.90 1.8 图5 为电弧喷油加工3Cr13 涂层摩擦因数与磨损时 间之间的关系曲线。可见，涂层表面随着磨损过程 的进行，摩擦因数先急剧增加，在滑动了500 s 后 110 机 械 工 程 学 报 第46 卷第6 期期 上下波动，在1 800 s 后摩擦因数趋于稳定，基本保 持在0.20～0.25 之间波动，涂层的平均摩擦因数为 0.21；UDR 处理后，涂层表面随着磨损过程的进行， 摩擦因数先急剧增加，在滑动了250 s 后摩擦因数 趋于稳定，基本保持在0.16～0.18 之间波动，涂层 的平均摩擦因数为0.17。对比UDR 处理前后摩擦 曲线，可见，UDR 处理前，摩擦曲线波动时间较长、 波动幅度较大，趋于稳定的时间较长。经UDR 处 理后，摩擦曲线较平稳，摩擦因数反而有所降低。 究其原因，这与涂层经UDR 处理后，涂层表面粗 糙度降低，组织和结构缺陷减少，内聚强度和硬度 提高，磨损过程中磨粒压入表层的深度小，配副相 对样品表面运动的阻力较小，表层晶粒细化后容易 氧化磨损等有关。 图5 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前、后摩擦磨损曲线 2.5.2 磨痕SEM 分析 图6a、6b 给出了电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前 磨痕形貌SEM 照片。可见，试样在35 N 载荷作用 下，经过720 m 的磨程后，磨损表面较粗糙，磨面 上可看到深且宽的犁沟，并存在明显的塑性变形， 裂纹扩展也比较明显，且磨损表面存在层状或块状 剥落现象。这与涂层局部组织较疏松，孔隙较大， 涂层层状结构之间的结合强度较差(涂层内聚强度 较低)等因素有关。 (a) 400 μm 100 μm 500 μm 500 μm (b) (c) (d) 图6 电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 前、后磨痕形貌SEM 照片 图6c、6d 给出了电弧喷油加工3Cr13 涂层UDR 后 磨痕形貌SEM 照片。对比图6a、6b，磨痕宽度变 小、深度变浅，磨面上塑性犁沟变细小，层状或块 状剥落现象减少。 由上可知，涂层经过UDR 处理后，磨损状况 大有改善，这是由于涂层经过UDR 处理后，表面 粗糙度降低，表面硬度提高、表层晶粒细化以及表 层残余压应力的产生等因素联合作用的结果。这和 表3 关于磨损量的测量结果是一致的。 3 结论 (1) 采用新型的UDR 技术对45 钢电弧喷油加工 3Cr13 涂层进行复合强化处理。UDR 强机械冲击和 滚压作用大幅降低了涂层表面粗糙度；使涂层显微 硬度提高了约45%；使表面残余压应力由8 MPa 提 高到257 MPa；且使涂层内晶粒细化、晶格畸变， 同时形成了晶向平行试样表面的板织构。 (2) 经过UDR 处理后，涂层组织变致密，孔 隙明显变小、变少，孔隙率降低，尤其是近表面约 30 μm 厚的涂层层状结构和孔隙几乎完全消失。 (3) 摩擦磨损试验结果表明，经过UDR 处理后 的涂层摩擦学性能得到了明显提高，磨痕浅且均匀， 大塑性犁沟、微裂纹、层状结构剥离等失效现象明 显减轻。