滚压诱导纯铜梯度纳米晶层及其微动磨损性能*

赵婧 夏伟 李宁 李风雷

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)

虽然零件表层仅占基体的很小部分，但其摩擦、疲劳、磨损、腐蚀等表面性能直接决定着零件的寿命和可靠性．鉴于纳米材料所表现出的有别于宏观材料的优异性能，表面自纳米化已被证明是提高材料摩擦磨损性能的有效方法．文献［1-2］中分别采用表面机械研磨(SMAT)方法和表面机械碾磨(SMGT)方法成功地在纯铜表面诱导出梯度纳米晶层，并对其摩擦磨损性能进行研究，结果表明，纳米晶样的摩擦磨损性能明显优于粗晶样，而连续完整的机械混合层［3］、摩擦副的氧化作用［4］以及纳米结构层的高硬度［5］是其摩擦磨损性能提高的主要因素．

纳米金属的硬度很高，但同时其韧塑性也会随硬度的提高而下降，这使得梯度纳米化后的零件表层容易变脆［6］(即过度硬化)，在摩擦磨损过程中产生材料剥落，导致抗摩擦磨损性能的下降［7］．因此，在保证高硬度的前提下，尽量避免韧塑性的降低是提高材料摩擦磨损性能的关键．已证明:通过SMAT方法［8］、SMGT 方法［2］诱导纳米孪晶结构可以获得高强度和高韧塑性的纳米材料，以及较普通纳米晶更好的摩擦磨损性能［9］;存在一个最佳晶粒尺寸可以实现高强度和适当韧塑性的优化组合，从而获得最优的摩擦磨损性能［10］．

为提高滚压铜的表面性能，文中提出了一种滚柱滚压梯度自纳米化方法，在保证铜表面质量的前提下，通过加大滚压力和滚压次数诱导铜表面生成纳米晶，并形成一种呈梯度变化的塑性变形层．由于制备工艺和方法的不同，即使诱导出的纳米晶粒尺寸相同，也会导致其组织结构和性能的明显差异，因此有必要对上述方法所诱导的纳米晶表层的摩擦磨损性能做深入研究．文中首先采用不同滚压参数诱导纯铜表面形成纳米晶/亚微米晶表层，研究了其沿深度方向的微观组织演变规律，然后通过对比实验分析了纳米晶/亚微米晶表层的微动摩擦磨损性能及磨损机理．

1 实验设计

1．1 滚压实验

滚压实验在C6132A1型车床上进行，为了增大样品表面的滚压压强，将半径R=20mm的柱体试样在滚压前经端面车削预成形一高5mm、壁厚1mm的环状凸台．该凸台采用的切削参数如下:主轴转速n为560r/min、进给量 f为0．12mm/r、切削深度 ap为0．5mm，处于油润滑状态(润滑液为SAE10W-30)．实验中采用自行设计的滚柱滚压工具，滚柱材料为YG8硬质合金，规格为φ6mm×8 mm．图1(a)所示为滚压现场图，工具置于车床尾座套筒内．测力装置固定在机床上，S型压力传感器沿机床轴向安装并与测力装置连接以获取滚压法向力．传感器信号通过研华USB-4711A数据采集卡采集并在个人计算机上进行处理和实时显示．滚压前需施加预静载，具体方法为:先锁死滚压工具，调整车床尾座位置并顶住传感器至所需的静载荷，再锁死尾座．静载荷施加后即可实施滚压．滚压时，滚柱逐渐将凸台减薄，凸台表面粗糙峰被挤平，其表层严重塑性变形，形成具有一定深度的梯度变形层，表层晶粒得以细化直至纳米级别，如图1(b)所示．滚压参数依次如下:滚压力为1．5、2．1 kN，滚压次数为 1 和 8，滚压速度为560r/min，处于油润滑状态(润滑液为SAE10W-30)，滚压时间为90s/次．

图1 滚压试验的说明Fig．1 Illustration for burnishing experiment

1．2 微动磨损实验

微动磨损实验在SRV IV型微动磨损实验机上进行．对偶球采用Si3N4陶瓷球，直径为9．525mm，密度为3．25g/cm3，显微硬度≥2100，表面粗糙度 Ra≤0．02μm．将滚压后的凸台切割为微动实验机要求尺寸的试样，随机抽取一半试样进行再结晶退火以获得粗晶样．退火工艺为:在氩气保护下加热到600℃并保温6h，之后随炉冷至室温(23℃)．微动磨损实验参数如下:法向载荷为10 N，位移幅值为100 μm，频率为50Hz，磨损时间为900 s，室温，相对湿度为60%～70%，干摩擦状态．微动方向与凸台径向垂直．实验结果为多个样品的平均值．

1．3 性能测试方法

采用透射电子显微镜(TEM，JEOL 3010型)观察试样表面晶粒大小;采用低倍扫描电子显微镜(SEM，FEI-Quanta 200型)观察磨斑的表面形貌，并采用SEM自带的能谱分析仪(EDS，INCA Penta-X3型)对磨斑成分进行分析;采用高倍扫描电子显微镜(SEM，FEI-Nova Nano 430型)观察试样横断面组织;采用HVS-1000型数显显微硬度计对试样表面硬度进行测量，加载力为4．9N，保持20s，测试位置为试样的半宽处;采用BMT Expert 3D型表面形貌仪测量试样表面粗糙度和磨斑深度，粗糙度测试方向垂直于切削纹路．

2 实验结果与分析

2．1 滚压对组织结构的影响

将1．5 kN下滚压1次、2．1 kN下滚压1次和2．1kN下滚压8次的滚压试样分别标记为151B、211B、218B，相应的粗晶试样分别记为151C、211C、218C，其横断面组织如图2所示．图2(a)、2(c)和2(e)表明:滚压后试样横断面的晶粒呈梯度分布且表层晶粒细化严重，难以分辨出晶粒尺寸和晶界分布;滚压次数对表层晶粒细化程度有较大的影响，明显可见细化层(纤维状组织以上定义为细化层)的厚度随滚压次数的增加而增大，试样151B、211B、218B的晶粒细化层厚度依次约为20、25、100μm．滚压诱导后试样表面的晶粒尺寸已达到纳米或亚微米级．图3为试样218B的TEM图及选区电子衍射花样，证明了试样经多次滚压后的表层晶粒确已被细化为纳米晶，晶粒取向随机分布且基本呈等轴状．图3表明，晶粒尺寸的范围为4～18nm且呈正态分布，平均晶粒尺寸为9～10nm．相比滚压样，粗晶样的晶粒明显长大且对应于不同滚压样的粗晶样的晶粒尺寸基本一致，约为70μm，如图2(b)、2(d)和2(f)所示．这表明由材料塑性变形所引入的晶粒细化作用和加工硬化效应已完全消失，保证了粗晶样的可靠性．

图2 不同滚压力和滚压次数下滚压样及粗晶样的SEM横断面组织Fig．2 SEM cross-sectional microstructures of burnished and coarse-grained coppers under different burnishing loads and passes

图3 218B表面纳米结构的TEM结果Fig．3 TEM results of nano-grained surface of 218B

2．2 滚压对表面结构的影响

滚压工艺可以使样品表面发生材料流动，粗糙峰被挤平填入粗糙谷内，从而降低表面粗糙度．试样经车削后的粗糙度约为1．50 μm，而滚压样151B、211B、218B的表面粗糙度均比较低，依次为0．55、0．62、0．61 μm，表明滚压可明显改善金属表面光洁度，提高其表面质量，但增大滚压力并不一定能获得更理想的效果．此外，滚压次数基本上对表面质量的改善无影响．

不同滚压力和滚压次数下滚压样与粗晶样的表面显微硬度如表1所示．

表1 滚压样与粗晶样的表面显微硬度Table 1 Surface microhardness of burnished and coarse-grained coppers

从表1可知，滚压样的表面显微硬度较粗晶样大幅提高，滚压样的显微硬度约是粗晶样的2倍，表明剧烈塑性变形可显著提高材料表面的强化效果．多次滚压会显著提高试样表面的显微硬度，如218B的显微硬度是211B的1．2倍，这是因为塑性变形量的增大会导致表层晶粒细化，同时提高加工硬化程度．这两种效应的共同作用是梯度纳米化材料硬度提高的主要原因［11］．

2．3 滚压对摩擦磨损性能的影响

表2给出了粗晶样(151C、211C、218C)和滚压样(151B、211B、218B)的稳态摩擦系数、磨损深度和磨损体积随负载p的变化情况．滚压样在实验负载范围内的稳态摩擦系数均比粗晶样低0．1～0．2，表明滚压样的摩擦性能明显优于粗晶样;粗晶样的稳态摩擦系数随微动负载的增加逐渐增大，但滚压样稳态摩擦系数的变化存在较大差异．试样151B的稳态摩擦系数随微动负载的增加而变小，而试样211B和218B呈现的趋势则与之相反．在小微动负载下，试样151B的稳态摩擦系数明显大于其他滚压样，但随微动负载的增大，两者的差异逐渐减小，这表明滚压力可显著影响稳态摩擦系数的变化．对比211B和218B发现，两者的摩擦系数在实验负载范围内的差异均很小，表明滚压次数对试样稳态摩擦系数的影响不大．

表2 粗晶样和滚压样在不同负载下的稳态摩擦系数、磨损深度和磨损体积Table 2 Steady-state friction coefficients，fretting wear depths and fretting wear volumes of coarse-grained and burnished coppers under various loads

从表2还可知:两种试样的微动磨损深度随着微动负载的增加而增大;滚压样的磨损深度在实验负载范围内均低于粗晶样，且粗晶样的最大磨损深度约是滚压样的3倍，这表明滚压样的抗磨损能力明显优于粗晶样，且负载越大效果越好，同时也说明滚压样的承载能力较粗晶样有明显的提高．滚压样151B的硬度虽比试样211B、218B的低，但在小微动负载下保持了更好的抗磨损性能，这可能是因为151B具有更好的韧塑性，从而减轻了材料表层的疲劳剥落．

根据文献［12］，当不忽略对偶球磨损的影响时，实际的微动磨损体积为

式中，a和δ分别为磨斑的半长度和最大深度，R1为对偶球的半径，R2为试样的纵向曲率半径．当试样为平面，即R2=∞时，微动磨损体积为

按照式(2)计算的摩损体积如表2所示．微动磨损体积随微动负载的变化趋势与微动磨损深度随微动负载变化的规律基本类似．粗晶样与滚压样在微动磨损体积上的差异并没有滚压深度显著，两者的磨损体积比值最大为2．4，这与SMAT铜有一致的结果［3］．

2．4 纳米晶铜的磨损机制分析

图4给出了不同微动负载下滚压样和粗晶样的磨斑表面形貌(图4(a)中的AB为磨斑中心线)．为完整地展现磨斑全貌，采用了不同的放大倍数进行观察．沿磨斑中心线进行EDS扫描的磨斑表面成分分析，结果如图5所示．磨斑EDS分析表明，滚压样和粗晶样在干摩擦状态下均发生了氧化磨损，磨痕表面O元素含量明显提高．

图4 滚压样与粗晶样磨斑的SEM形貌Fig．4 SEM morphologies of worn scars of burnished and coarse-grained coppers

在干摩擦状态下，不同滚压样在同一微动负载下的磨斑表面形貌基本一致(因篇幅有限，图不列出)，这与文献［12］中的结论一致，但与粗晶样的磨损形貌差异显著．如图4所示，随着微动负载的增大，滚压样和粗晶样的磨损面积逐渐增大，但滚压样的磨损面积始终小于粗晶样，这说明滚压样的高硬度可以阻碍微动磨损的运动，从而减小磨损面积．对粗晶样来说，在所有负载范围内的磨损机理均以粘着磨损为主，且随着负载的增大粘着区域越来越大，如图 4(b)、4(d)、4(f)所示．由图4(a)可知，当微动负载较低时，滚压样的磨痕表面形成由磨粒微切削作用所导致的大量犁沟．同时，表面反复塑性变形导致其硬脆性提高，试样在对偶球的反复滑动摩擦作用下易产生疲劳裂纹，导致较硬的磨粒被压入试样表层和次表层的疲劳微裂纹中并使裂纹逐渐扩大，最终形成剥落坑．由于材料剥落而导致对偶球与裸露金属表面直接接触，使得磨斑的部分区域出现粘着现象，且粘着磨损面积随负载的增大而逐渐增大，如图4(c)和4(e)所示，这是导致滚压样摩擦系数逐渐升高的原因之一［13］．综上所述，在轻载时滚压样的磨损机理以磨粒磨损和疲劳磨损为主，部分区域存在粘着磨损．

当微动负载较高时，滚压样磨斑表面的细小裂纹逐渐减少，而粘着现象愈加严重，这是由于在高负载下，对偶件间的剪切力增大，磨损表面尚未疲劳断裂就已经被粘着撕裂而脱落，如图4(c)和4(e)所示．同时，犁沟现象也随着负载的增加而更明显．磨斑表面的犁沟区域大多沿微动方向和边缘分布，这说明这些区域的磨屑较多，从而形成三体磨损，避免了金属间的粘着磨损．因此，在大负载时滚压样的磨损机理以磨粒磨损和粘着磨损为主．在大气环境下，梯度纳米化金属会在磨损表面形成一种连续的机械混合层，这种由于基体混入对偶方物质或氧化物而形成的类似于金属合金化的表层结构，可有效地降低磨损表面的摩擦系数和磨损量［14-15］．如图5(a)-5(c)所示，磨损表面含有较多的O元素和Si元素，说明由于对偶球材料的转移和氧化作用，磨损表面部分区域已形成了机械混合层;但从磨斑形貌来看，即使在负载为15 N时也出现了粘着和疲劳剥落现象，可能是由于微动频率和负载较高，导致部分机械混合层磨损和断裂，因此无法形成连续有效的机械混合层，这是导致滚压样磨损体积没有显著降低的主要原因．EDS分析结果表明:滚压样中Cu、O元素的含量基本恒定，只有Si元素的含量随微动负载的增大而减小，说明氧化作用在磨斑表面保持不变;Cu、O元素的含量在滚压样与粗晶样中没有明显的差异，这表明纳米材料高密度晶界所导致的扩散速率的提高，在摩擦磨损行为中并没有促使氧化物大量生成［5］．而Si元素的含量下降主要是因为在大负载下磨损表面材料因粘着加剧而更易转移到对偶球上，从而形成连续的材料转移层，避免了对偶球材料的脱落．

图5 滚压样和粗晶样磨斑的EDS分析Fig．5 EDS analysis of worn scars of burnished and coarsegrained coppers

3 结论

为提高滚压铜的表面性能，文中采用剧烈塑性变形方式的滚压工艺，通过加大滚压力进行多次滚压实现了纯铜表层梯度纳米化，并在干摩擦状态下对滚压样和粗晶样进行了球/平面微动磨损实验，分析纳米晶/亚微米晶表层的微动摩擦磨损性能及磨损机理，得出如下结论:

(1)利用剧烈塑性变形的滚压方法可在纯铜表面诱导出晶粒尺寸范围为4～18 nm、平均晶粒尺寸约为9～10nm的等轴纳米晶;

(2)与粗晶样相比，滚压样在干摩擦状态下可获得更优异的耐磨性，即更低的摩擦系数和更小的磨损体积;

(3)滚压样的磨损机理在低微动负载下以磨粒磨损、疲劳磨损为主，在高负载下以磨粒磨损和粘着磨损为主，粗晶样的磨损机理为粘着磨损．

虽然剧烈塑性滚压工艺已实现表面纳米化，但其作为一种新型的表面纳米化技术仍然有很多问题，今后可进一步研究如下问题:剧烈塑性滚压诱导的表面梯度纳米-微米结构的组织特点及形成机理;对滚压诱导出的纳米晶表层的疲劳、腐蚀等性能的更为全面的检测及分析;组织对材料各项性能的影响以及如何据此改进工艺以获得性能更为优异的表层强化材料．

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