《Surface and Coatings Technology》：Research on the strengthening mechanism of QPQ coupled ultrasonic rolling post-treatment process
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超声表面碾压处理（USRP）可有效消除QPQ氮化32Cr3MoVE钢表面孔隙，细化晶粒，增加低角度晶界并引入深层残余应力，使表面硬度提升22%，磨损率降低64%，同时优化抗腐蚀性能，强化效果随静压力增加而增强。
范鹏举|崔秀芳|李健|吴浩|李亮|滕春雷|刘金娜|郭金
哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，教育部超轻材料与表面技术重点实验室，表面/界面科学技术研究所，哈尔滨，150001，中国
摘要
本研究探讨了超声波表面滚压处理（USRP）对淬火-抛光-淬火（QPQ）氮化32Cr3MoVE钢的影响。USRP用于消除QPQ氮化层中的多孔结构并提升材料的整体性能。结果表明，USRP去除了QPQ氮化层中的缺陷（如孔洞）并减小了晶粒尺寸。此外，由于USRP的加工硬化效应，它不仅增加了低角度晶界的比例，还在样品表面形成了深度为250微米的残余应力场。因此，USRP使氮化层的表面硬度提高了约22%，磨损率降低了多达64%。USRP通过消除疏松的层间结构和引入压缩应力改变了材料的腐蚀机制，从而提高了其耐腐蚀性。同时，随着施加的静压力的增加，USRP的强化效果也得到了增强。
引言
齿轮传动部件是机械传动系统的核心单元。动力传动齿轮具有结构紧凑、效率高、使用寿命长和可靠性高的特点[1,2]。32Cr3MoVE钢是一种低合金氮化钢，在氮化处理后表现出优异的强度和核心韧性。因此，它被广泛用于制造海洋、航空航天、石油化工、发电等领域的齿轮传动部件。随着现代工业的快速发展，这些部件所面临的环境日益恶劣，特别是在沿海或海上环境中运行的航空发动机传动部件，腐蚀和摩擦的联合作用对其耐磨性和耐腐蚀性提出了显著挑战。
在氮化热处理中，淬火-抛光-淬火（QPQ）技术已成为齿轮传动部件表面改性的最常用方法之一，因为它能提高钢材的耐磨性和耐腐蚀性。与其他氮化技术相比，QPQ具有氮化速度快、氮化层深度大以及耐磨性和耐腐蚀性高度兼容等优点。QPQ通常包括两个主要步骤：盐浴氮化和盐浴氧化。在钢材表面形成的层结构由外层氧化物层、中间化合物层和内层扩散层组成。这种化合物结构具有高硬度，提高了材料的耐磨性。氧化步骤中形成的氧化物层具有良好的化学稳定性，增强了材料的耐腐蚀性。由于QPQ处理后的表面结构具有高耐磨性和耐腐蚀性，这项技术得到了广泛研究。特别是Zhang等人[3]对Q235基材进行了QPQ处理，并报告了耐磨性和耐腐蚀性的显著提升。然而，QPQ技术也存在缺点。Min等人[4]发现，QPQ处理后在钢材上形成的氮化层具有高度多孔性，这严重影响了材料性能。总之，尽管QPQ提高了耐磨性和耐腐蚀性，但在液氮化过程中不可避免地会在材料中产生孔洞。这种多孔层显著影响了氮化材料的整体性能。此外，传统的QPQ技术越来越无法满足高负荷传动部件对材料性能的要求。因此，必须迫切优化QPQ工艺，以使其适用于齿轮部件的钢材加工。
超声波表面滚压处理（USRP）是一种新兴的表面纳米结晶技术。它通过将超声波处理与传统的静载荷滚压工艺结合，优化和提升了材料的表面性能。在USRP过程中，静压和高频振动冲击力的共同作用使表面层发生显著的塑性变形[5]，同时降低了表面粗糙度，改善了表面微观形貌，并形成了具有一定深度的硬化层。它还提高了表面硬度，细化了晶粒，并引入了有益的残余应力[6,7]，从而增强了材料的抗疲劳性能。许多研究人员将USRP作为后处理技术进行了研究。具体来说，Wang等人[8]将USRP作为渗碳后的后处理工艺，发现渗碳层的耐腐蚀性得到了显著提升。在另一项研究中，Wang等人[9]对17CrNiMo6钢先进行真空渗碳，再采用USRP处理。与仅采用真空渗碳相比，所得复合层的耐磨性和耐腐蚀性都有显著提高。这些发现表明，USRP可以用于消除QPQ处理层中的表面孔洞，并同时提供二次强化。然而，关于USRP在QPQ处理过的钢材表面应用的研究较少。因此，阐明USRP静压对QPQ处理后化合物层微观结构和相组成的影响，有望为复合处理材料的耐磨性和耐腐蚀机制提供有价值的见解。
因此，本文研究了USRP对QPQ处理过的32Cr3MoVE齿轮钢的影响。通过实验研究，我们阐明了USRP如何影响氮化层的微观结构和性能，确定了在不同静压下处理的材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性的变化，并重点研究了USRP降低氮化层孔洞率的效果及其对氮化层摩擦学和腐蚀行为的影响。
材料
本研究使用32Cr3MoVE齿轮钢作为研究材料，其化学成分见表1。32Cr3MoVE齿轮钢样品的热处理过程包括930℃×1小时（油淬，OQ） followed by 550℃×2小时（空气冷却，AC），随后进行淬火和回火处理，以达到最佳的强度和韧性组合。测试样品为矩形，长100毫米，宽60毫米，高20毫米。
相鉴定
图2显示了USRP处理前后试样的XRD图谱。如图2(a)所示，氮化层的相组成在USRP处理后保持不变。氮化层中的强化相主要是金属元素的氮化物，如Fe?N、Fe?N和Cr?N。图2(b)（图2(a)的放大部分）显示，USRP过程中静压的增加导致衍射峰的宽化和位移。这表明USRP处理可能会引起晶粒
结论
本研究探讨了不同静压下USRP对QPQ处理过的32Cr3MoVE齿轮钢微观结构和性能的影响。根据研究结果得出以下结论：
1.USRP显著优化了氮化层的疏松结构。随着静压的增加，样品表面的LAB含量增加，等效晶粒尺寸减小。与QPQ样品相比，USRP样品的硬度提高了2.3%。
作者贡献声明
范鹏举：撰写——初稿。崔秀芳：撰写——审阅与编辑。李健：数据整理。吴浩：方法学研究。李亮：实验研究。滕春雷：指导。刘金娜：撰写——审阅与编辑。郭金：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
我们声明与提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52475182, 52275179）的财政支持。
