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超声加工表面改性技术对4Cr13不锈钢表面和摩擦学性能的影响研究

超声加工,摩擦磨损,4C13

机械领域80%以上的零件失效是从表面开始，表面加工质量直接影响零件的服役寿命。超声加工表面改性技术是利用超声振动辅助加工，将20KHZ以上的超声振动叠加到刀具或者工件上，从而改变材料的变形过程。超声振动的软化作用可以降低材料变形过程中的流动应力^[1]，使工件在承受较小静载荷的前提下在表面获得更大的塑性变形，从而改善材料加工表面的力学性能。超声加工表面强化技术与传统挤压、滚压、喷丸、激光冲击等强化技术相比，具有高表面光洁度、高表面残余压应力、高显微硬度、高疲劳寿命、高耐磨蚀性能等一系列较优的机械综合性能，已在机械制造和维修领域得到广泛的应用^[2]。4Cr13不锈钢具有优良的综合力学性能，常用于各类零件、工具及医疗器械中，研究4Cr13不锈钢材料超声加工表面改性工艺技术对提高零部件服役寿命具有重要的指导意义。

本文研究了不同摩擦环境下超声加工表面改性技术对4Cr13不锈钢表面粗糙度、显微硬度和摩擦学性能的影响。研究结果表明，经超声加工表面改性处理后的试样表面粗糙度降低了88.38%，试样高度降低了约8 μm。表层发生明显的塑性变形，变形深度约为150 μm。表面显微硬度由241 HV提高到333 HV，提高了38.17%。研究发现，不同摩擦环境下，经过超声加工表面改性处理试件的平均摩擦系数均低于未处理的试件。干摩擦条件下，经超声加工表面改性处理试样的磨损率降低了25.21%，这是由于磨损表面产生了较大面积的氧化釉层，具有减摩作用。油摩擦环境下，经过超声加工表面改性处理试样的磨损率降低了77.78%，主要原因是未处理试样的磨损机理为粘着磨损，而经过超声加工表面改性处理的试样的磨损机制为塑性变形。

参考文献

[1] Nalla R K, et al. On the influence of mechanical surface treatments-deep rolling and laser shock peening-on the fatigue behavior of Ti-6Al-4V at ambient and elevated temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2003, 355(1): 216-230

[2] Meng. Y, et al. Tribological properties of textured surfaces fabricated on AISI 1045 steels by ultrasonic surface rolling under dry reciprocating sliding[J]. Wear, 2020, 460-461.