超声喷丸预处理联合低温渗氮协同强化42CrMo钢表面的新方法及其性能研究

针对42CrMo钢在极端服役条件下表面失效问题，研究人员创新性地提出超声喷丸(USP)预处理联合低温离子渗氮(LT-N)的复合表面强化工艺。通过系统比较7种处理方案发现，S-SP+LT组合可获得最深的渗氮层(121 μm)、最高残余压应力(-1024.5 MPa)和最低磨损率(1.7 mm3/N·m)，其机理在于喷丸诱导的位错网络促进氮扩散并抑制ε-Fe2-3N脆性相形成。该研究为高载荷部件表面强化提供了新思路。

　　

在航空航天传动轴、轨道交通轮毂等关键部件中，42CrMo钢因优异力学性能被广泛应用，但其表面失效（36%轴承故障源于表面疲劳剥落）严重制约部件寿命。传统单一表面处理存在明显局限：单纯渗氮虽提高硬度但易致晶粒粗化（S-HT表面粗糙度达0.897 μm），而喷丸强化（S-SP残余应力-835 MPa）对硬度提升有限。如何协同优化表面硬度、残余应力与韧性成为行业难题。

中南大学团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，设计7种工艺组合（含S-SP+LT等复合处理），采用超声喷丸（振幅21.09 kHz）与离子渗氮（500-580°C）技术，通过三维形貌仪、X射线应力分析等手段，系统评估了处理后的表面形貌、微观结构及摩擦学性能。

【表面形貌】

喷丸预处理使S-SP+LT表面粗糙度(1.699 μm)接近纯喷丸水平，但显著优于高低温复合处理S-SP+HT(1.981 μm)。低温处理能有效抑制高温导致的晶粒长大，S-LT粗糙度(0.233 μm)仅为S-HT的26%。

【微观结构】

XRD分析揭示S-SP+LT形成24.7 μm渗层，γ′-Fe₄N相占比64 vol%，优于S-HT+SP的ε-Fe_2-3N主导结构(64 vol%)。位错密度计算显示S-SP+LT衍射峰半高宽达1.2°，对应位错密度2.1×10¹⁵ m^-2，为氮扩散提供快速通道。

【力学性能】

S-SP+LT获得-1024.5 MPa残余应力，比单一喷丸提高22.6%。硬度梯度测试显示其有效硬化层深达131 μm，同时维氏压痕显示韧性等级1级（无裂纹），而高氮势处理的S-SP+HT出现放射状裂纹（韧性等级4级）。

【摩擦学性能】

磨损测试表明S-SP+LT磨损率仅1.7 mm³/N·m，比未处理样降低91.8%。微观机制分析发现其磨损面仅存细微裂纹，而S-HT+SP出现大面积脆性剥落，证实γ′相在抗磨粒磨损中的优势。

该研究阐明了喷丸诱导梯度位错结构促进低温渗氮的协同机制：一方面高密度位错加速氮原子扩散（500°C时晶界扩散系数达2.43×10^-4 cm²/s），另一方面压应力环境抑制ε相生成。研究成果为极端工况部件表面强化提供了工艺指导，通过调控γ′/ε相比例实现硬度-韧性协同优化，对延长高载荷部件寿命具有重要工程价值。