细颗粒喷丸处理与等离子氮碳共渗复合工艺对低碳钢性能的影响

《Results in Engineering》：The Effects of an Integrated Process of Fine Particle Peening and Plasma Nitrocarburizing on the Performance of Low-carbon Steel

表面硬度与扩散层深度增加，但强化机制不同。FPP-PNC-FPP工艺表面粗糙度更小，残余压应力更高。摩擦系数和磨损率均显著降低，其中FPP-PNC-FPP试样的磨损率仅为原始试样的52.1%。XRD分析显示复合处理促进ε-Fe2-3(C,N)和γ'-Fe4(C,N)相形成，EBSD证实晶粒细化效果。残余应力梯度测试表明PNC-FPP试样表面压应力达1842 MPa。表面形貌分析表明三次处理组合优于单一工艺。摩擦学性能改善主要源于梯度硬度层、残余压应力和细化晶界协同作用。

　　本研究探讨了一种将细颗粒喷丸（FPP）与等离子渗氮碳化（PNC）相结合的综合处理工艺，旨在提升低碳合金钢的耐磨性能。通过一系列的表征测试，包括表面粗糙度、残余应力、微观结构以及摩擦学性能的分析，研究发现该综合处理工艺能够显著提高材料的表面硬度和扩散层深度，但其强化机制存在差异。此外，研究还发现，FPP-PNC-FPP这种顺序处理方式效果最佳，使低碳合金钢的耐磨性能提升了约一倍。

在现代机械工程领域，重型齿轮作为发动机性能的关键部件，其稳定性、效率和服务寿命直接决定了整个机械系统的运行质量。齿轮在工作过程中承受巨大的接触压力和摩擦，导致严重的磨损，进而影响齿轮的啮合特性，增加振动和噪音。因此，提升齿轮的耐磨性能是延长其使用寿命和提高系统效率的重要手段。

PNC是一种通过在400至600摄氏度下利用辉光放电原理产生高密度等离子体的技术，使氮和碳元素扩散进入工件，形成由ε-Fe???(C,N)和γ'-Fe?(C,N)组成的复合层。这种技术已被证明能够提高表面硬度并形成具有梯度特性的硬化层，同时由于其较低的扩散温度，对工件的变形量较小，因此被认为是改善材料摩擦学性能的有效方法之一。FPP则通过高速撞击工件表面，使表面材料发生塑性变形，从而形成残余压缩应力层，显著提升材料的硬度和耐磨性。此外，由于FPP使用的颗粒尺寸较小，处理后的工件表面粗糙度相较于传统喷丸处理更小，且表面晶粒细化效果更好，残余压缩应力也更高。FPP处理后，工件的接触疲劳性能显著提升，但其对摩擦学性能的具体影响尚未得到充分研究。

研究者Kikuchi等人曾提出将FPP与PNC结合可能具有可行性。他们在研究中发现，FPP处理可细化材料晶粒，从而促进氮化物的形成。然而，本研究发现，无论PNC还是FPP先进行，综合处理工艺均优于单独处理。因此，本研究对FPP、PNC以及多种综合处理工艺对18Cr2Ni4WA齿轮钢性能的影响进行了系统分析，包括表面粗糙度、残余应力、微观结构和摩擦学性能等方面。

研究中使用的材料为18Cr2Ni4WA低碳合金钢，该材料常用于制造重型车辆和航空发动机的齿轮。所有试样均经过加工处理，形成直径为25毫米、厚度为8毫米的圆柱形样品。实验中，试样被分为六组，分别进行不同的处理方式。处理过程包括FPP、PNC以及它们的组合方式，如FPP-PNC、PNC-FPP和FPP-PNC-FPP等。处理后，试样表面的粗糙度、残余应力、微观结构和摩擦学性能被系统评估。

通过表面微地形和粗糙度测试，发现未经处理的试样（UN）表面存在切割痕迹，其表面粗糙度较高。FPP处理后，试样表面出现不均匀变形，粗糙度进一步增加。然而，PNC处理后，切割痕迹消失，表面变得光滑，粗糙度显著降低。在FPP-PNC处理中，虽然表面仍保持一定光滑度，但出现了一些微小的凹坑，粗糙度略有上升。而FPP-PNC-FPP处理则有效降低了表面粗糙度，同时由于FPP处理后表面硬度较高，最后的FPP处理对表面的塑性变形影响较小，从而进一步优化了表面性能。

X射线衍射（XRD）分析结果显示，UN试样的主要结构为针状马氏体，表面存在部分渗碳体（白色斑点）。PNC处理后，试样表面形成了由ε-Fe???(C,N)和γ'-Fe?(C,N)组成的复合层，这两种化合物具有较强的原子键和变形抗力，从而提高了表面硬度。FPP处理后，试样表面仅检测到马氏体衍射峰，表明其表面结构发生了显著变化。FPP-PNC处理后，试样表面同时存在氮化物和马氏体相，且氮化物比例高于单独PNC处理的试样，说明FPP处理促进了氮化物的形成。FPP-PNC-FPP处理后，试样表面同时检测到氮化物和马氏体相，且其氮化物比例进一步增加，表明FPP处理对氮化物形成具有积极影响。

硬度测试显示，UN试样的表面硬度约为565 HV，PNC处理后提升至842 HV，FPP处理后则约为819 HV。FPP-PNC和PNC-FPP处理后的试样表面硬度接近1,000 HV，而FPP-PNC-FPP处理后表面硬度略有提升，但增幅不大，仅为约50 HV。残余应力测试表明，PNC处理能够产生显著的残余压缩应力，其最大值约为1,189 MPa。FPP处理后，残余压缩应力主要集中在试样表面以下10微米处。然而，在PNC处理过程中，部分残余压缩应力被释放，导致FPP-PNC试样的残余压缩应力较PNC-FPP试样略低。而FPP-PNC-FPP处理则能够重新引入残余压缩应力，使表面残余压缩应力达到1,842 MPa，是所有处理方式中最高的。

摩擦学性能测试表明，在10牛顿的载荷下，UN试样的摩擦系数约为0.88，而经过强化处理的试样摩擦系数显著降低，尤其是FPP-PNC-FPP处理后的试样，其摩擦系数降至约0.77。磨损率方面，UN试样的磨损率约为2.74×10?? mm3/(Nm)，而PNC处理后的试样磨损率降低至1.90×10?? mm3/(Nm)，约为UN试样的67.5%。FPP-PNC-FPP处理后的试样磨损率最低，仅为1.43×10?? mm3/(Nm)，约为UN试样的52%。这表明，FPP-PNC-FPP处理方式在提升低碳合金钢的耐磨性能方面具有显著优势。

进一步的讨论指出，PNC和FPP在强化机制上存在差异。PNC通过氮和碳元素的扩散形成复合层，从而提高表面硬度和耐磨性。而FPP则通过高速颗粒的冲击产生塑性变形和残余压缩应力，显著改善表面性能。在综合处理方式中，FPP-PNC处理虽然提高了表面硬度和扩散层深度，但由于PNC过程的高温作用，部分残余压缩应力被释放，导致其耐磨性能略逊于PNC-FPP处理。而FPP-PNC-FPP处理则结合了两种工艺的优势，不仅提高了表面硬度和扩散层深度，还通过二次FPP处理进一步优化了表面粗糙度和残余压缩应力，从而显著提升了整体的耐磨性能。

此外，研究还发现，FPP处理后形成的高密度位错区域促进了氮原子的扩散，使PNC处理后的扩散层深度增加，表面硬度进一步提升。同时，残余压缩应力的叠加效应增强了材料的抗磨性能。FPP-PNC-FPP处理方式能够有效消除表面粗糙度，使试样表面更加光滑，同时通过多次FPP处理进一步细化晶粒，提升材料的表面完整性。

综上所述，FPP-PNC-FPP处理方式在提升低碳合金钢的耐磨性能方面表现最为突出，能够显著改善表面硬度、扩散层深度、残余压缩应力以及表面粗糙度等关键性能指标。因此，如果处理成本不是主要考虑因素，建议将FPP-PNC-FPP处理方式应用于对耐磨性要求较高的关键部件。本研究为优化齿轮材料处理工艺提供了新的思路和实验依据，对提升重型机械系统的可靠性和使用寿命具有重要意义。