机电工程技术

访问量:315326

刘晓初--强化研磨加工中喷射角度对GCr15轴承钢耐摩擦腐蚀性能的影响

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2021.09.001

刘晓初，吴子轩，梁忠伟，等.强化研磨加工中喷射角度对GCr15轴承钢耐摩擦腐蚀性能的影响［J］.机电工程技术，2021，50（09）：1-5.

基金项目：

国家自然科学基金项目（编号：52075109，51975136）

国家自然科学联合基金重点项目（编号：U1601204）

国家重点研发计划项目（编号：2018YFB2000501-02）

作者简介：

刘晓初（1964-），男，湖南耒阳人，博士，教授，研究领域为强化研磨微纳改性加工、智能装备及机器人、绿色设计与制造。

吴子轩（1996-），男，广东佛山人，硕士研究生，研究领域为强化研磨微纳改性加工。

强化研磨加工中喷射角度对GCr15轴承钢耐摩擦腐蚀性能的影响*

刘晓初^{1, 2, 3}，吴子轩^{1, 2, 3※}，梁忠伟^{1, 2, 3}，吴俊^{1, 2, 3}，范立维1^{, 2, 3}，耿晨^{1, 2, 3}，谢鑫成⁴，黄伟锋^{1, 2, 3}，危珊^{1, 2, 3}

（1. 广州大学机械与电气工程学院，广州510006；

2. 广州大学广州市金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州510006；

3. 广州大学广东省强化研磨高性能微纳加工工程技术研究中心，广州510006；

4. 广东工业大学机电工程学院，广州510006）

摘要：研究不同喷射角度下强化研磨处理GCr15轴承钢板表面耐摩擦腐蚀性的影响。通过改变强化研磨喷射角度，在3.5%NaCl中进行摩擦磨损实验，测试其耐摩擦腐蚀性能。并对试样进行金相组织、SEM、显微硬度、质量磨损和表面磨痕分析。在不同喷射角度下的摩擦腐蚀试验下，磨损量分别为0.092 5 g、0.053 3 g、0.024 7 g，低于未处理的试样（0.131 1 g），其表面磨痕宽度分别为491.9 μm、346.8 μm、323.2 μm，比未处理的试样低（545.9 μm），但是其表面粗糙度分别为Ra0.545 μm、Ra0.598 μm、Ra0.618 μm，比未处理的试样高（0.481 μm）。当喷射角度由30°增加至90°时，其质量磨损量下降72%，表面磨痕宽度下降41%，表面粗糙度上升18%，强化层厚度增加55%，当喷射角度为90°时，试样的显微硬度最高（HV895.4）。由此得出结论：不同喷射角度下强化研磨加工处理GCr15轴承钢板后，材料表层虽然粗糙度有所提升，但是组织尺寸变小、硬度提高、出现组织均匀的致密强化层，在综合条件下材料的耐摩擦腐蚀性能得到提高。

关键词：强化研磨；喷射角度；GCr15；摩擦腐蚀

中图分类号：TG580.68 文献标志码：A

文章编号：1009－9492 ( 2021 ) 09－0001－05

引言

材料的摩擦腐蚀是一种摩擦磨损和化学腐蚀双重因素耦合作用的结果，并且摩擦腐蚀导致材料的损失远大于摩擦磨损和化学腐蚀各自损失之和，这是一种复杂的失效形式^[1-2]。GCr15轴承钢主要用于制作轴承、滚珠等核心部件，在海洋制备、化工机械、石油装备等行业上得到广泛运用。由于材料经常与腐蚀介质接触，且经常出现在腐蚀环境下发生摩擦磨损，因此对材料的耐摩擦腐蚀性能是一种严峻的考验。

强化研磨技术是一种表面射流强化改性微纳加工技术，是一种抗磨、抗腐、延寿的改性方法，其加工原理是通过高压气体带动研磨粉、研磨钢珠和改性液混合形成射流，并以高速高压撞击材料表面实现加工，使材料表面产生双层复合结构（类织构层和强化层），从而提高了材料的耐摩擦、抗腐蚀、耐高温、长寿命、高可靠性能^[3-5]。本文在前期研究中，通过有限元仿真和试验的方法验证不同喷射时间下强化研磨处理的试样的耐摩擦性能和抗腐蚀性能都有不同程度的提升^[6-8]。但是强化研磨处理后试样只在摩擦磨损或化学腐蚀单一环境下进行研究，而在腐蚀环境下受摩擦磨损这种复合环境的研究尚未有学者探索。这严重影响了海洋、化工机械、石油等重要装备的使用寿命。

近年来，国内外相关学者在材料表面改性加工技术上进行了大量的研究和实验，例如喷丸、抛砂、SMRT、激光处理等^[9-12]。但是由于表面改性技术的加工路径不同，从而导致了表面形貌、残余应力发布、组织结构等特性存在很大差异，因此其腐蚀性能仍然存在很多的争议^[13]。Wang^[14]对表面具有纳米层的304不锈钢放在3.5%NaCl溶液进行腐蚀，研究结果发现组织的晶粒细化、位错密度上升可以提高材料的抗腐蚀性能。但是在通过机械滚压技术加工304不锈钢材料表面过程中，由于产生晶粒的细化、缺陷或表面污染等原因导致了抗腐蚀性能下降。而国内外学者通过在各种摩擦工况（滑动、滚动、微动）进行大量的实验，普遍认为材料表面组织细化、位错密度上升、硬度提高可以提高材料的耐摩擦性能^[15]，例如Qin^[16]研究发现材料表面组织细化可以使其硬度得到提高，耐磨性能会比未细化的高。周蕾^[17]发现GCr15轴承钢随着其表面晶粒尺寸不断减少，材料的耐摩擦磨损性能呈先提高后减少的规律。另一方面，材料的摩擦腐蚀行为是由服役过程中摩擦磨损和化学腐蚀相互作用的结果，不是两者的简单叠加^[18]，沈明学^[19]通过SMRT处理361L不锈钢，发现材料表面晶体细化，可提高材料的耐摩擦腐蚀性能。黄博^[20]通过在304不锈钢上进行超音速火焰喷涂，分析材料表层硬度，分析硬度的提高可提升材料的抗摩擦腐蚀性能。然而，根据已发表的文献，至今经过强化研磨处理后GCr15轴承钢在腐蚀介质下磨损行为的研究未见报道。