激光冲击强化对Cronidur30高氮轴承钢微观组织演变及摩擦学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Laser Shock Peening on microstructural Evolution and Tribological Performance of Cronidur30 High-Nitrogen Bearing Steel

　　

摘要：通过激光冲击强化（LSP）改善轴承钢的摩擦学性能仍具挑战性，因为近表面强化的有益效果必须与伴随的表面形貌变化相平衡，尤其是在不同润滑条件下。本研究对Cronidur30高氮马氏体不锈钢轴承钢施加LSP，以阐明脉冲能量和重复冲击如何在干摩擦及聚α-烯烃4（PAO 4）润滑往复滑动条件下调控其表面状态和磨损响应。LSP逐步细化近表面马氏体组织，促进位错积累和碳氮化物破碎/再分布，将实测最大硬度从749.716 HV提升至880.334 HV，并引入高达?845.5 MPa的 compressive residual stress（压缩残余应力）。在干滑动条件下，LSP-4J-4表现出最低实测比磨损率1.797 × 10^-5 mm³/(N·m)，相对于未处理试样（UT）降低42.7%。在油润滑条件下，LSP-4J-3表现出最低实测磨损率4.200 × 10^-8 mm³/(N·m)，较UT降低58.8%。耐磨性的改善归因于马氏体板条细化、位错强化、碳氮化物/位错相互作用、硬度提高及压缩残余应力的协同效应，这些因素抑制了局部塑性变形、裂纹萌生和材料去除。在油润滑条件下，LSP诱导的表面形貌额外调控润滑剂保留和微凸体相互作用。尽管重复冲击提供了进一步的机械强化，但过度粗糙化降低了膜厚与粗糙度之比，这解释了为何在干滑动下四次冲击后出现最低实测磨损，而在油润滑下三次冲击后出现最低实测磨损。这些结果揭示了LSP处理Cronidur30钢中润滑依赖性的表面强化与形貌演变之间的平衡。

激光冲击强化对Cronidur30高氮轴承钢微观组织演变与摩擦学性能影响的论文解读

一、研究背景与问题

Cronidur30（X30CrMoN15-1）是一种高氮马氏体不锈钢轴承钢，其优异耐久性源于回火马氏体基体、残余奥氏体及细小弥散分布的富Cr碳氮化物。该材料兼具高硬度、优异耐腐蚀性和卓越滚动接触疲劳性能，适用于航空航天及高速轴承等苛刻工况。然而，即使具有高体积硬度的钢，在服役过程中表面微凸体及近表面赫兹应力场内仍可能发生局部循环塑性变形，从而引发磨损和表面损伤。因此，进一步提升表面完整性——包括微观组织细化、残余应力调控和表面状态优化——对提高Cronidur30轴承钢的摩擦学可靠性至关重要。激光冲击强化（LSP）作为一种表面改性技术，通过激光诱导等离子体冲击加载向金属材料引入高幅值压缩应力波，当动态应力超过局部Hugoniot弹性极限时产生近表面塑性变形，进而形成细化微观组织和压缩残余应力。尽管LSP已应用于轴承钢和高强度钢，但其效果取决于初始热处理组织以及加工硬化、残余应力和表面形貌之间的平衡。Cronidur30与传统高碳轴承钢（如GCr15、M50）的根本区别在于，其碳基强化概念部分被氮合金化取代。钢中约0.36 wt.%的氮不仅提供间隙固溶强化和奥氏体稳定化，还促进富Cr碳氮化物的形成与稳定。氮可以改变面心立方奥氏体组元的广义层错能景观，影响位错解离、交滑移和变形模式；氮合金化奥氏体不锈钢还表现出流动应力升高和平面位错滑移倾向，这与间隙溶质/位错相互作用及氮相关短程有序有关。X30CrMoN15-1中富Cr碳氮化物群体具有高机械和热力学稳定性，即使在严重塑性变形下也能抵抗变形诱导分解。这些氮特异性特征使Cronidur30的变形与强化响应区别于传统碳轴承钢，为解读其LSP响应提供了重要微观组织基础。本研究的创新性不在于单独使用LSP、SEM或EDS，而是在于对Cronidur30进行参数解析的干摩擦与油润滑磨损对比，并结合EBSD/TEM证据、深度分辨硬度与残余应力及面形貌分析。研究核心问题是：为何干滑动下最低磨损率出现在四次冲击，而油润滑下出现在三次冲击。

二、研究方法概述

研究人员采用高温真空管式炉对退火态Cronidur30试样进行1030 ℃×60 min奥氏体化，油淬后经两次液氮深冷处理与150 ℃回火循环，获得约59.0 HRC硬度。随后使用Ys80-R200B高能脉冲激光（波长1064 nm，脉宽18 ns，光斑直径2.2 mm，搭接率50%）对试样表面进行蛇形光栅扫描式LSP处理，设置脉冲能量2 J和4 J、冲击次数1–4次，未处理试样记为UT。采用MS-9000多功能摩擦磨损试验机进行球-平面往复滑动试验，对摩副为直径6.35 mm的GCr15钢球，载荷20 N（最大赫兹接触压力约1.685 GPa），频率1 Hz，行程6 mm，总滑动距离21.6 m；油润滑采用纯聚α-烯烃4（PAO 4）基础油。通过三维光学轮廓仪测量磨损体积并计算比磨损率；使用显微硬度计测试截面硬度梯度，X射线衍射残余应力分析仪结合电解抛光测试残余应力深度分布；采用SEM、EBSD和TEM表征微观组织演变，并用Nano Measurer软件定量分析碳氮化物尺寸和面数密度；依据ISO 25178标准评价表面形貌参数，采用Hamrock-Dowson点接触模型估算最小油膜厚度和润滑参数λ。

三、主要研究结果

3.1 表面形貌：LSP后在试样表面形成微凹坑和凸起，表面轮廓起伏加剧。随着脉冲能量和冲击次数增加，凹坑深度从LSP-2J-2的0.118 μm增加至LSP-4J-4的0.278 μm。面粗糙度参数Sa、Sq和Sdr均增大，Sq从UT的0.017 μm增至LSP-4J-4的0.65 μm，表明重复冲击加剧了表面塑性变形。

3.2 力学性能：LSP后近表面硬度显著提升，UT表面硬度为749.716 HV，LSP处理后最高测量值为880.334 HV，提高约17.4%。硬化层深度从LSP-2J-2的约600 μm扩展至LSP-4J-4的约1600 μm。表面压缩残余应力从UT的?27.2 MPa增至LSP-4J-4的?845.5 MPa，影响深度约1500 μm。增加脉冲能量和冲击次数总体上增大残余应力幅值和深度，但三次到四次冲击之间的增量减小，表明趋于饱和。

3.3 微观组织：LSP使马氏体板条组织逐渐细化破碎，平均板条宽度从UT的192.68 nm降至LSP-4J-4的85.13 nm，选区电子衍射花样由分离的斑点状演变为环状，反映晶体取向分散度增加和组织亚分划。碳氮化物当量颗粒尺寸从UT的0.560±0.015 μm降至LSP-4J-4的0.470±0.015 μm（p<0.001），面数密度从0.0970±0.0097颗粒/μm²增至LSP-4J-4的0.1710±0.0127颗粒/μm²（p<0.001）。TEM鉴定第二相为Cr₂₃C₆和Cr₂N，LSP后颗粒/基体界面处位错积累增加，高能量多次冲击下颗粒边界变得模糊并出现破碎/滑移特征。

3.4 干滑动摩擦磨损：干摩擦系数UT为0.551±0.004，LSP处理后为0.560±0.005至0.570±0.005，其中LSP-4J-2、LSP-4J-3和LSP-4J-4显著高于UT。磨损宽度从UT的428.64 μm降至LSP-4J-4的313.77 μm。比磨损率从UT的3.135±0.029×10^-5 mm³/(N·m)逐步降至LSP-4J-4的1.797±0.032×10^-5 mm³/(N·m)，降低42.7%（p<0.0001）。LSP-4J-3与LSP-4J-4差异不显著（p=0.386）。UT磨损轨迹含大量碎屑、块状斑块和高氧信号区域；LSP后块状斑块减少、犁沟更明显，氧信号普遍降低。

3.5 油润滑摩擦磨损：油润滑下UT摩擦系数为0.110±0.002，LSP处理后为0.098±0.001至0.101±0.001，所有LSP条件均显著低于UT（p<0.001），但各LSP条件间无显著差异。磨损深度UT为0.173 μm，4 J条件约为0.07–0.09 μm。比磨损率从UT的10.190±0.070×10^-8 mm³/(N·m)降至LSP-4J-3的最低值4.200±0.056×10^-8 mm³/(N·m)，降低58.8%（p<0.0001）。LSP-4J-4的磨损率略升至4.317±0.053×10^-8 mm³/(N·m)，但与LSP-4J-3差异不显著（p=0.233）。所有油润滑磨损轨迹均存在犁沟，LSP后犁沟更浅，EDS氧信号较低。

四、讨论与结论

讨论部分指出，LSP在马氏体表面层产生耦合微观组织响应：板条逐步细化、位错密度增加、富Cr第二相颗粒周围出现明显位错积累。氮作为间隙原子提高基体强度并稳定奥氏体，同时通过溶质-位错相互作用和短程有序促进平面位错滑移，富Cr碳氮化物作为持久位错运动障碍促进位错在颗粒/基体界面储存。近表面硬度提升归因于板条细化、位错密度增加、间隙固溶强化和位错/碳氮化物相互作用的联合效应。干滑动下，LSP提高硬度至880.334 HV并引入深达1500 μm的压缩残余应力，提高了局部屈服和裂纹扩展阻力，减少了碎屑生成。油润滑下，LSP表面形貌同时影响润滑剂储存和微凸体接触：Ssk为负值且Sv增大可提供局部润滑剂储库，但Sa、Sq、Sp、Sdr和Sv过度增加会增大微凸体相互作用并降低膜厚比。Hamrock-Dowson计算得到特征最小油膜厚度约2.53 nm，UT的λ为0.0838，LSP-4J-3为0.00415，LSP-4J-4为0.00390，说明油膜远薄于复合粗糙度，LSP的益处不能仅由膜分离解释。LSP-4J-3兼顾了强近表面强化与略轻的粗糙度惩罚，因此油润滑下磨损率最低；而干滑动由抗局部屈服和断裂主导，故LSP-4J-4最优。研究结论为：(1) LSP细化了近表面马氏体组织，改变碳氮化物形貌，硬度最高提升17.4%，压缩残余应力达?845.5 MPa，形成抗局部塑性变形的强化表层。(2) 干滑动下LSP-4J-4比磨损率最低，较UT降低42.7%；油润滑下LSP-4J-3最低，较UT降低58.8%；LSP-4J-3与LSP-4J-4差异不显著，不应视为统计唯一最优。(3) 磨损表面从UT的大量碎屑和富氧块状斑块变为LSP后的浅犁沟和较少斑块，低EDS氧信号表明含氧磨损材料减少，但需XPS确定氧化物种类。(4) 干/油响应差异反映耦合机制：加工硬化、板条细化、碳氮化物/位错相互作用和压缩残余应力降低局部屈服和裂纹驱动材料去除；油润滑下面形貌额外影响润滑剂储库和微凸体接触，λ计算显示油膜相对薄，LSP益处不能仅归因于膜分离。该研究为LSP处理Cronidur30钢提供了润滑依赖性的表面强化与形貌演变平衡框架。