一种结合超声抛丸强化与表面织构改善GCr15摩擦学性能的复合处理方法

《Journal of Manufacturing Processes》：A composite treatment method for improving the tribological properties of GCr15 by combining ultrasonic shot peening and surface texturing

　　

• 提出了一种表面微织构与超声喷丸的复合处理方法。• 超声喷丸处理可降低激光表面织构处理试样表面的粗糙度。• 表面平均晶粒尺寸可从 2.03 μm 减小至 1.13 μm。• 最高表面残余应力可达 ?693 MPa。• 淬火处理后，轴承钢的磨损率仍降低了 39.5%。引言高碳铬轴承钢 GCr15 具有优异的淬火硬化特性、稳定的微观组织和力学性能、出色的接触疲劳抗力以及服役耐磨特性，适用于各种精密传动和承载摩擦工况。该钢种已广泛应用于航空航天、高端设备和工程机械等行业，是制备轴承基体、精密传动轴和承载导向辊等关键摩擦核心部件的首选基体材料 [1]、[2]、[3]。在极端工程服役过程中，作为摩擦副部件的 GCr15 轴承钢长期承受高速循环运转、重载交替接触压力、薄油润滑甚至边界贫油润滑等复杂严苛的耦合工况 [4]。长期恶劣的服役环境容易诱发磨损、疲劳点蚀和表面剥落等各种典型失效缺陷，会直接导致设备传动精度显著下降、运行过程中振动和噪声加剧，并严重降低整机的稳定性和可靠性 [5]、[6]。目前，提高 GCr15 轴承钢表面摩擦和耐磨性能以及增强部件工程领域服役耐久性的传统工艺已相对成熟，主要包括精密机械磨削 [7]、整体或局部热处理 [8] 以及硬质防护涂层的沉积制备 [9]。尽管这些传统工艺能够有效改善轴承钢的表面粗糙度、提高表面基础硬度和短期耐磨性，但仍存在一些技术不足：改性效果相对单一，难以实现减摩与耐磨的协同提升；表面强化稳定性差，在长期服役过程中易出现性能退化；工艺适应性不足，难以加工复杂形状的部件，且容易产生变形。同时，硬质涂层与基体界面之间的结合强度相对较弱，容易发生剥落失效，难以满足极端复杂工况下摩擦副长期耐磨的综合服役要求。本质上，提高摩擦副表面的摩擦性能主要围绕两个核心方向。第一个是降低摩擦系数。该方法通过优化表面形貌、改善润滑环境、降低界面接触阻力和抑制粘着磨损，从而实现摩擦过程中能量损失的减少。第二个是提高表面力学性能。该方法通过增强表面抵抗塑性变形、磨粒切割和疲劳剥落的能力，从而提升部件的承载性能。这两种方法的互补效应是各种表面改性技术改善轴承钢摩擦性能和延长摩擦副服役寿命的关键 [10]。然而，上述传统表面改性工艺很难同时实现表面承载能力和界面润滑性能的协同提升，无法满足极端重载薄油润滑条件下 GCr15 轴承钢高标准摩擦学改性的需求。多种表面处理方法已被用于改善 GCr15 及相关轴承钢的力学和摩擦学性能。这些方法可根据其主要处理功能进行分类。主要方法的共同效果、优点和局限性总结于表 1 中。总体而言，已报道的方法主要解决两种不同的需求。喷丸、激光喷丸、超声滚压和超声喷丸主要改善表面力学性能，而表面织构主要改善润滑剂的储存和摩擦界面的润滑状态。机械强化方法可能会增加表面粗糙度，而表面织构可能会引入应力集中并减小承载面积。现有的混合研究已结合不同的处理方法，但激光表面织构和超声喷丸在 GCr15 上的组合应用，以及在薄油润滑条件下两种处理顺序的直接比较，尚未得到充分研究。近年来，表面喷丸技术已成为调节金属表面力学性能和改善其摩擦学行为的重要改性方法之一。表面喷丸通过在表层引入强烈的塑性变形来强化材料，从而实现晶粒尺寸从表层纳米尺度向基体微米尺度的梯度转变。在此过程中，形成连续梯度分布的硬度和残余应力，从而有效提高材料的表面硬度、屈服强度和耐磨性 [19]、[24]。在表面喷丸工艺中，超声喷丸因其高能量密度、优异的加工效率以及对复杂曲面部件的适应性，成为制备梯度细晶表层的先进工艺之一 [20]、[25]。现有研究已证实，超声喷丸能在材料表面诱发高密度位错增殖，同时引入高水平的残余压应力，从而显著提升表面耐磨性 [28]。Yin 等人 [21] 利用超声喷丸在 M50 轴承钢表面构建基于片状纳米马氏体的梯度纳米结构，显著提高了 M50 轴承钢的耐磨性。具体而言，表面硬度提高了约 32.25%，而磨损率降低了 94.9%。Yue 等人 [29] 通过纳米划痕试验证实，梯度纳米结构 M50 钢在低和高法向载荷下的磨损率分别降低了 26.5% 和 44.6%。磨损机制从低载荷下的犁耕磨损转变为高载荷下的切削磨损。You 等人 [30] 采用 ZrO? 辅助超声喷丸处理轴承钢球，同时制备 ZrO? 强化层和梯度纳米晶结构。表面显微硬度提高了 15%。在 20–60 N 载荷范围内，整体摩擦系数降低，最大磨损体积减少 84.5%。该处理在多相中产生了协同强化效果。Wang 等人 [22] 对 42CrMo 钢进行了超声喷丸改性研究。超声喷丸处理后，磨损率降低了 34%，磨损形式从严重的犁耕磨损转变为轻微的磨粒磨损。Dong 等人 [23] 采用超声喷丸在 M50 钢表面制备了厚度超过 200 μm 的梯度纳米晶层。与材料基体相比，表面硬度达到 987 HV，磨损率降低了 50.4%。上述研究充分表明，超声喷丸能够通过诱发梯度纳米晶结构显著增强材料表面的承载性能。 However，超声喷丸工艺依赖于高能弹丸的持续冲击，这可能导致部件表面粗糙度急剧增加，并导致表层过度塑性变形，从而恶化摩擦副的初始接触界面 [25]、[31]。特别是在薄油润滑条件下，难以在粗糙表面上形成连续稳定的润滑油膜。由此可见，单独喷丸只能在一定程度上改善基体表面的承载能力和耐磨性，在界面润滑控制和减摩性能改善方面仍存在显著局限。此外，单独的超声喷丸处理仅改善表层的力学性能，无法主动调节摩擦界面的润滑剂储存和流体动压效应，因此在贫油润滑条件下难以实现摩擦系数的持续降低。此外，表面织构技术通过主动调节摩擦副界面润滑行为展现出突出优势，已成为金属表面摩擦改性的重要研究方向。该技术通常采用激光蚀刻、化学蚀刻、电火花加工等方法在材料表面制备阵列微坑和微槽等微结构。这些微结构通过储存润滑介质、捕获磨屑颗粒和诱发流体动压效应来有效调节界面润滑状态 [26]、[32]、[33]。Wang 等人 [10] 通过优化纳秒激光工艺参数，在 GCr15 轴承钢表面制备了形态完整的平底微坑织构。结果表明，当织构的深径比为 0.083 时，摩擦系数可降低 27.6%，显著改善了贫油润滑条件下的运行可靠性。Xiao 等人 [34] 采用飞秒激光加工非对称芒果形微织构。该方法可通过其特殊几何形貌调节界面应力分布，实现 25% 的减摩效果。Anand P 等人 [35] 采用飞秒激光在淬硬 AISI 440C 钢表面制备无热影响区和毛刺的高精度微织构，有效改善了贫油润滑条件下的摩擦和耐磨行为。具体而言，该方法可使摩擦系数降低 32–41%，磨损率降低 45–52%。在织构形貌和排列设计方面，Kumar 等人 [36] 比较了 100Cr6 轴承钢在干摩擦条件下圆形和双三角形织构的摩擦响应。指出织构密度对磨屑捕获效果存在饱和阈值。与圆形织构相比，双三角形织构可使摩擦系数降低 1.7%，磨损率降低 72%。Peddakondigalla 等人 [37] 进一步研究了织构排列对摩擦学性能的影响。证实锯齿形排列在磨粒捕获和动压润滑效果方面优于传统放射状排列。与传统放射状排列相比，可使摩擦系数降低 28.7%，磨损率降低 41.9%。Pettersson 等人 [38] 将表面织构与 DLC 硬质涂层相结合，可显著提高轴承钢在边界润滑条件下的抗撕裂性和减摩能力。与基体样品相比，摩擦系数降低 50%，磨损率降低 90%。表面织构能够有效改善摩擦副界面的润滑状态。但表面织构的边缘容易产生应力集中 [27]、[39]。同时，织构区域也容易积聚磨屑并诱发局部拉应力。这些问题会加剧部件表面的局部磨损。在严重情况下，还可能触发疲劳裂纹的萌生和扩展。这极大地限制了部件的长期服役可靠性。因此，虽然单一的表面织构改性可以改善润滑状态，但在高接触应力的服役环境中，其表面承载能力仍存在显著不足。此外，在未强化基体上制备的表面织构在高接触应力下容易发生形貌坍塌，这进一步削弱了其长期减摩和耐磨效果。根据上述研究文献，可以得出结论：GCr15 轴承钢是高端设备中摩擦承载部件的关键材料。在极端重载和薄油润滑条件下，容易产生磨损、点蚀和剥落失效，这将制约设备服役的稳定性。此外，超声喷丸和表面织构可以从两个维度改善轴承钢的摩擦和耐磨性能：增强表面力学性能和调节界面润滑行为。但两者都存在固有缺陷：喷丸可显著提高材料的承载能力，但会增加表面粗糙度，不利于稳定润滑油膜的形成；表面织构可改善润滑状态，但应力集中会削弱部件的耐磨性，难以满足重型极端工况的综合服役要求。因此，有必要通过表面复合改性策略实现表面承载性能、界面润滑和减摩特性的协同增强。

这一研究对于突破现有技术局限、提升GCr15轴承钢的综合服役性能具有重要的理论和工程意义。基于上述对比，本研究针对薄油润滑条件下的GCr15轴承钢开展了一种复合LST-USP处理工艺研究。主要贡献在于直接对比了两种处理顺序——LST后接USP与USP后接LST，分别采用8%和20%的纹理面积密度以及1 kW和2 kW的USP功率。结果表明，LST可提供用于储油的表面纹理，而USP可改善表面机械性能。后续进行的LST处理可能通过热回复和应力松弛部分削弱USP所引起的强化效果。在所测试范围内，经LST（纹理面积密度为8%）后接USP（超声功率为2 kW）复合处理的试样表面在测试条件下表现出最优的综合性能。因此，本研究阐明了处理顺序和工艺参数对润滑与机械强化之间平衡的影响。

**节选片段**

**材料**

本研究选用高碳铬轴承钢GCr15作为基体材料，其具体化学成分详见表2。标准热处理后GCr15钢的基本力学性能汇总于表3。为确保基体材料的力学和化学性能与实际工程应用中的性能相近，在对GCr15材料进行表面……

**表面形貌**

图2展示了不同处理方法处理后试样表面形貌的测量结果。本实验旨在研究不同表面处理方法对试样表面粗糙度的影响。实验中进行了多种表面处理工艺，包括抛光、单一LST、单一USP以及两种不同顺序的复合处理。试样的表面粗糙度（Sa）和形貌特征进行了系统的……

**结论**

(1) 在表面形貌方面：试样表面粗糙度随纹理面积密度和超声功率的增大而增加。由于抛丸冲击对表面纹理边缘翘起的平整作用，LST后接USP的复合处理工艺相比USP后接LST的复合处理工艺可获得相对较低的表面粗糙度。对于重复的代表性条件，平均比磨损率为18.12 ± 0.35 × 10?? mm3·N·C

**作者贡献声明**

陈志：撰写初稿、验证、资源提供、方法学、调查研究、经费获取、概念构思。周一飞：撰写初稿、验证、方法学、调查研究、数据整理。范子怡：调查研究、数据整理。谭瑞：调查研究、数据整理。朱一瑾：调查研究、数据整理。张国钧：方法学、调查研究、经费获取。韩凤林：撰写初稿、验证、资源提供、方法学、调查研究、数据……

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**伦理批准**

不适用。

**代码可用性**

不适用。

**资助**

本研究受国家自然科学基金（资助编号：52675296）、湖南省自然科学基金（资助编号：2025JJ40042）、湖南省教育厅科学研究项目（资助编号：25B0024）、广东省基础与应用基础研究基金（资助编号：2023A1515140138）、广东省制造装备数字化重点实验室项目（资助编号：2023B1212060012）、重点研发计划资助。

**利益冲突声明**

作者声明对本工作不存在利益冲突。我们声明不存在与所提交工作相关的商业或关联利益冲突。

**致谢**

本研究受国家自然科学基金（资助编号：52675296）、湖南省自然科学基金（资助编号：2025JJ40042）、湖南省教育厅科学研究项目（资助编号：25B0024）、广东省基础与应用基础研究基金（资助编号：2023A1515140138）、广东省制造装备数字化重点实验室项目（资助编号：2023B1212060012）、重点研发计划资助。

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