表面纳米化对金属材料耐磨性的影响

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表面纳米化对金属材料耐磨性的影响

摘要：材料的磨损起源于表面,金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。利

用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,从而大

大提高金属的耐磨性。结合国内外学者的研究报道,综述了表面纳米化在金属耐磨

性方面的影响,讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素,

简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果,最后进行

了总结和展望。

关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性

Influence of Surface Nanocrystallization on Wear Resistance of Metallic Materials

Abstract:Wearing stems from surface of material, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nanostructured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization technology on surface of metallic materials to enhance their wear resistance distinctly. With the research work of scholars, an overview of the influence of surface nanocrystallization on wear resistance of metallic materials is given. The methods, principle and factors influencing wear property of surface nanocrystallization are dis2 cussed, the research achievements and applying results are illustrated, and the summary and prospect are presented at last.

Key words: surface nanocrystallization; metallic materials; wear resistance

1、引言

结构材料中许多失效(如磨损、疲劳等)均与材料表面结构和性能密切相关。在大多数服役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，就可以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为[1]。基于此，20世纪末中科院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化”(Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既

着眼于当前的科技水平又面向实际工程应用，为采用纳米技术提高金属材料的性能和延长使用寿命提供了一条切实可行的途径。表面纳米化技术和表面纳米化材料有许多独特之处，首先，表面纳米化采用常规表面处理方法即可实现，在工业应用上没有明显的技术限制；其次，表面纳米晶组织与基体组织之间无明显界面,不会发生剥层和分离；再次，表面纳米化既适用于材料的整体，又适用于局部的表面改性。摩擦磨损性能是材料的重要使用性能之一。材料的磨损起源于表面，表面纳米化技术不仅能避开制备块体纳米材料的困难[2]，而且能够明显改善材料的表面摩擦磨损性能，从而在很大程度上促进纳米技术的实用化、工业化以及规模化[3]。本文结合最近几年应用表面纳米化技术提高金属耐磨性取得的研究成果，综述了表面纳米化对金属材料耐磨性的影响。

2、表面纳米化方法与原理[4]

在块体材料表面获得纳米结构表层主要有3种基本方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化(如图1所示)。其中表面自身纳米化技术(图1(b))由于所制备的纳米层的化学成分与基体相同,不存在界面污染、孔洞等缺陷,同时纳米层和基体之间结合紧密，不易脱落，从而更具有开发应用的潜力和前景。其原理是通过外加载荷重复作用于材料表面，使材料表面粗晶组织产生不同方向的强烈塑性变形，引入大量的非平衡缺陷和界面，使常规粗大晶粒逐渐细化至纳米量级。

图1 表面纳米化的3种基本方式

实现表面自身纳米化主要有2种方法，即表面机械加工处理法和非平衡热力学法。其中表面机械加工处理法(图2)在工业应用中不存在明显的技术障碍，并且处理后材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和分离，因而更具开发应用潜力，目前的研究也多数集中于由该方法导致的表面自身纳米化。表面机械加工处理法主要有表面机械研磨(SMAT)、高能喷丸(HESP)以及超音速微粒轰击(SFPB)等。

图2 表面机械研磨(a)及表层局部塑性变形(b)的示意图

3、表面纳米化影响耐磨性的因素

表面纳米化改变了材料表面的组织和结构，从而改变了材料表面的摩擦磨损行为。王镇波等[5]认为表面纳米化从两个方面影响材料的摩擦磨损行为：一方面是因为纳米表层具有较高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小，在摩擦磨损试验中配副相对样品表面运动的阻力较小，所以表面纳米化样品的摩擦系数及磨粒磨损所造成的磨损量都比未处理样品的小；另一方面是因为表面纳米晶组织能有效抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展,因此在相同载荷下，表面纳米化样品较未处理样品更难于发生疲劳磨损。

但不能简单地认为表面纳米化后材料的耐磨性一定会提高，材料的摩擦磨损行为主要取决于纳米结构表层的厚度和表面粗糙度，也与载荷有关[6]。纳米晶的存在可以改善材料表面的耐磨性，厚的纳米层对提高耐磨性有利，但要得到厚的纳米层往往会增大表面粗糙度或引入更多的累积损伤。在中低载荷下，粗糙度过大将会抵消纳米化的作用,甚至会降低材料的耐磨性；在高载荷下，粗糙度的影响不大，故在高载荷下增加纳米结构表层的厚度将有助于提高材料的耐磨性。另外,如果是在润滑情况下，由于纳米表面具有较高的表面活性而容易吸附油膜，故对提高耐磨性有利[4]。对于旨在提高材料表面耐磨性的表面处理工艺中，应尽可能地增加纳米结构表层的厚度，同时应控制材料表面的粗糙度。

4、应用表面纳米化技术改善金属耐磨性

近10年来，随着表面纳米化技术的提出并快速发展，近几年国内外的研究者已应用表面纳米化技术在钢、铁、铜、钛、镁、锆等多种金属和合金材料表面制备出纳米层，并实现了材料耐磨性的大幅提高。早在2001年，王镇波等[5]通过表面机械研磨(SMAT)处理，在低碳钢表面形成了厚度约为20μm的纳米晶组织层(图3)，纳米晶粒平均尺寸为10~20nm，降低了低碳钢在中低载荷下干摩擦(室温、无润滑)的磨损量(图4)，并明显降低了摩擦系数(图

5)，大大改善了低碳钢的耐磨性。并且发现,随着载荷的增大，表面纳米化低碳钢的主要磨损机制从磨粒磨损转变为疲劳磨损，表面纳米化有助于减弱低碳钢表面的疲劳磨损效应。王长顺等[8]也通过SMAT制备了厚度约为40μm的低碳钢表面纳米晶层，低碳钢的耐磨性得到

提高，并初步提出了表面粗糙度因素的影响(图6)。

图3 低碳钢表面机械研磨处理(SMAT)后的横截面组织

[8]

图4 低碳钢表面纳米化前后的磨损量

图5 低碳钢表面纳米化前后摩擦系数

图6 原始低碳钢以及表面纳米化处理不同时间后的磨损量

严伟林等[9]采用传统喷丸技术,在高锰钢磨料表面制备出纳米结构表层,在软磨料磨损条件下，高锰钢耐磨性明显提高,尤其喷丸30min后的高锰钢耐磨性更是提高了72%(图7)，但

喷丸时间过长的高锰钢由于产生了微裂纹而导致耐磨性下降。另外，未喷丸处理的高锰钢主要为微观切削磨损，而表面纳米化高锰钢主要为疲劳剥落导致的磨损，说明表面纳米化处理通过改变磨损机理提高了金属的耐磨性。

图7 高锰钢的耐磨性与喷丸时间的关系

葛利玲等[10]采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对40Cr调质钢进行表面处理后，形成了随机取向的铁素体和渗碳体纳米晶粒，晶粒尺寸达10nm，纳米层厚度约为40μm。经SF2PB处理后40Cr钢的摩擦系数降低(图8)，磨损量明显减少(表1)，耐磨性提高。

表1 40Cr调质钢SFPB前后的磨损失重

图8 40Cr调质钢SFPB前后的摩擦系数

韩忠等[2]采用SMAT方法在纯铜表面成功地制备出厚度约为25μm的纳米晶层，最表层晶粒尺寸约为10nm。他们研究了Cu纳米晶表层在室温条件下的滑动及微动摩擦磨损性能，发现在滑动干摩擦条件下Cu纳米晶表层摩擦磨损性能明显优于普通粗晶Cu，而对于微动摩擦，Cu纳米晶表层磨损量明显低于粗晶Cu。在干摩擦条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数低于粗晶Cu(图9)，在油润滑条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数高于粗晶Cu(图10），这主要

是Cu纳米晶表层的高硬度导致油膜破坏引起金属之间局部直接接触造成的。

图9 SMAT铜与粗晶钢的微动干摩擦系数

图10 SMAT铜与粗晶钢的微动油润滑摩擦系数

罗荣等[11]采用阳极氧化法在纯钛表面制备出TiO2纳米管层，发现在干摩擦条件下钛表面纳米管的存在降低了材料的摩擦系数，减小了磨损,并提出钛表面纳米管层的磨损机制为磨粒磨损、疲劳磨损和黏着磨损,磨损过程中对磨件也产生了材料转移，氧化腐蚀磨损也同时产生。

5、结语

总体来说,表面纳米化影响材料耐磨性的研究还处于起步阶段，要想实现工业应用还需要解决一些重要问题，如表面纳米化工艺及参数对材料摩擦磨损行为的影响、纳米化影响耐磨性的微观机理、纳米层组织与摩擦磨损性能的关系等。

减少摩擦,提高零件金属材料的耐磨性，将大大提高机械设备的可靠性、工作性能并延长其使用寿命，同时也节约了能源和原材料，对促进国民经济的发展具有重大意义。随着近年来工业应用和国防建设对材料高耐磨性的迫切需求，以及表面处理技术日新月异的快速发展，表面纳米化技术规模化地应用于工业和国防建设将有着广阔的发展前景和巨大的实用价值。

参考文献

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[11] 罗荣, 冯波, 陈建敏等. 表面纳米化纯钛的摩擦磨损性能[J]. 润滑与密封, 2009, 34(10): 1