《Materials Chemistry and Physics》：Multi-parameter Ultrasonic Surface Rolling for Synergistic Enhancement of Wear and Electrochemical Corrosion Performance in 20CrMoH Steel
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表面完整性提升机制与性能优化研究。通过超声表面滚压（USRP）处理20CrMoH合金钢，发现优化参数（如6次滚压）可使表面粗糙度降低80%，显微硬度增至300 HV0.5以上，并形成22μm细晶结构及残余压应力层，显著提升磨损电阻（90%降低）和抗电化学腐蚀能力。
王彦瑞|徐书博|李天华|赵颖|徐晨|张威海|王文明|王林东
山东建筑大学材料科学与工程学院，济南，250101，中国
摘要
通过超声波表面轧制工艺（USRP）对材料进行改性是提高表面完整性、耐磨性和电化学腐蚀性能的关键方法。研究USRP对表面完整性的影响包括从表面粗糙度、显微硬度和表面残余应力的角度进行分析，阐明了关键工艺参数（如轧制次数、振动幅度和轧制力）如何影响材料的表面状态。此外，还系统地表征了优化工艺参数对表面形貌和微观结构以及相应性能结果的影响。结果表明，经过USRP处理的样品表面粗糙度降低了约80%，表面显微硬度超过了300 HV0.5，并且表面形成了更明显的残余压应力层。微观结构分析显示，USRP导致近表面区域的晶粒显著细化，平均晶粒尺寸从42 μm减小到22 μm。这种细化伴随着位错密度的增加和板条马氏体的形成。晶粒细化、加工硬化和残余压应力的协同作用使磨损率降低了约90%，同时腐蚀电流密度也显著降低，表明电化学腐蚀性能得到了显著改善。进一步的研究表明，要实现最佳的表面完整性和机械性能，需要适当的工艺参数，因为过度的轧制可能会引起表面损伤和性能下降。
引言
近年来，全球工业的快速发展显著推进了工业机器人在焊接和装配等众多领域的应用[1]。典型的工业机器人系统由三个核心组件组成：控制器、伺服电机和减速器，其性能直接决定了机器人的整体精度和效率[2]。特别是RV减速器由于其优越的性能特性（包括高传动效率、高刚度和出色的精度[3]），在工业机器人关节中得到了广泛应用，其性能对末端执行器的定位精度和整体运动平滑度至关重要。尽管RV减速器已经相当成熟，但在大规模应用时仍面临重大挑战[4]，因为在长时间重载和高循环应力下工作时，RV减速器对疲劳寿命和可靠性提出了极高的要求，从而成为限制高端机器人性能提升的瓶颈[5]。从根本上说，这个问题源于其关键组件的性能。作为RV减速器的核心传动元件，偏心轴直接决定了减速器的整体精度和动态响应[6]。然而，目前的偏心轴通常存在表面完整性控制不足的问题，导致耐磨性和疲劳性能无法满足高端应用的要求[7]。
材料选择和表面强化技术是应对上述挑战的关键策略。在材料科学的前沿，可持续和高性能发展的趋势已成为重要方向。L. Pezzana等人[8]开发了一种基于植物基环氧树脂和生物填料的新型生物衍生复合材料系统，该系统可以通过紫外线固化。这种系统能够实现高性能和可定制的3D打印，并提供可控的降解潜力，为从材料设计到寿命终结的可持续增材制造提供了系统解决方案。C. Gauss等人[9]通过将马来酸酐改性的PLA与短纤维结合，并采用仿生纤维锚定系统和后处理技术，在3D打印全生物基复合材料的拉伸强度、模量、断裂应变和热机械稳定性方面取得了协同突破。在高性能金属结构部件领域，20CrMoH合金钢因其优异的淬透性、高强度和良好的韧性而广受认可[10]，使其成为高性能偏心轴的理想材料[11]。然而，大多数材料的固有表面特性仍需要后续的热处理[12]、[13]、激光熔覆[14]、[15]或表面改性技术[16]、[17]。其中，热处理和表面改性技术是提高20CrMoH合金钢性能的最有效方法。表面改性技术种类繁多，每种技术在加工效率、环境影响以及适用于高精度部件（如偏心轴）方面都有其独特的特点和局限性。虽然激光熔覆可以提高表面硬度，但通常会伴随热变形和界面缺陷。传统的喷丸处理可以提高疲劳强度，但可能会影响表面粗糙度。相比之下，作为一种非热性的严重塑性变形方法，超声波表面轧制可以同时实现表面晶粒细化、引入残余压应力并改善表面光洁度，特别适合对尺寸精度和表面完整性有严格要求的精密机械部件[18]、[19]。表面改性包括多种技术，其中超声波表面轧制是一种结合高频超声波振动和静压的表面变形强化技术[20]、[21]、[22]，通过施加机械振动和压力，材料的表面微观结构得到重构，其性能得到优化[23]、[24]。Fan等人[25]研究了USRP对QPQ氮化层应力状态和晶粒尺寸的影响。他们的结果表明，USRP消除了QPQ氮化层的多孔结构并减小了晶粒尺寸。Zheng等人[26]使用混合热场辅助超声波表面轧制工艺（H-USRP）研究了2205双相不锈钢的表面强化效果。结果表明，H-USRP显著提高了表面完整性、机械性能和耐腐蚀性。Zhang等人[27]研究了2xxx系列铝合金经过超声波表面轧制处理后的性能。他们的研究表明，S-USRP（应力场超声波表面轧制工艺）能够加速相变并显著缩短峰值老化时间。Ren等人[28]讨论了USRP增强涂层/基底系统界面粘附的机制，Ma等人[29]通过高负荷、多道次USRP工艺在高强度钢上制备了梯度纳米结构，并进一步研究了其在低循环疲劳载荷下的演变。Li等人[30]研究了磨损时间对H13样品经过超声波表面轧制处理后耐磨性的影响。为了解决激光定向能量沉积（DED）薄壁部件强度和疲劳性能不足的问题，Chen等人[31]优化了双边超声波表面轧制工艺（USRP），实现了超高屈服强度、良好的延展性和显著提高的薄壁中熵合金的疲劳极限。Li等人[32]证明，USRP可以通过在表面形成梯度纳米结构并引入残余压应力来显著提高锆合金在高温水环境中的耐腐蚀性。
本研究探讨了超声波表面轧制对20CrMoH合金钢表面完整性、摩擦学性能和电化学腐蚀性能的影响。通过工艺优化，在样品表面成功制备了以晶粒细化为主要特征的梯度纳米结构。此外，还系统分析了表层的微观结构演变。基于使用最佳参数处理的优化样品，本研究揭示了它们耐磨性和电化学腐蚀性能协同增强的内在相关性。结果表明，由表面纳米结晶引起的微观结构演变是决定性能提升的关键因素。具体来说，由超声波轧制触发的摩擦氧化机制是决定耐磨性改善程度的主导机制。这一发现为超声波表面轧制技术在高性能合金钢部件中的应用提供了重要的机制见解和数据支持。
部分摘录
材料
样品由20CrMoH钢制成，这种合金钢含有钼（Mo），钼显著提高了淬透性，细化了晶粒，改善了高温强度和耐磨性，从而优化了其整体机械性能[33]、[34]、[35]。因此，它常用于制造RV减速器的偏心轴[11]、[36]。采用X射线荧光（XRF）光谱法进行了元素分析，结果见表1。
工艺参数对表面粗糙度的影响
图6显示了不同轧制次数对表面粗糙度的影响。与未经处理的样品相比，USRP-1样品的表面粗糙度明显降低，表明即使一次轧制也能有效改善表面光洁度。然而，这种改善相对于两次轧制所达到的最佳结果仍然有限。USRP-2样品显示出最低的表面粗糙度，因此是最有利的。
讨论
本研究深入探讨了超声波轧制改性层在摩擦学服役过程中的演变和失效行为。综合分析表明，其出色的耐磨性主要归因于动态载荷在表层引起的持续晶粒细化和动态再结晶，这稳定了梯度纳米结构。随后，对磨损表面的成分分析显示，材料
结论
本研究探讨了超声波表面轧制工艺（USRP）对20CrMoH合金钢表面完整性、摩擦和磨损性能以及电化学腐蚀行为的影响。主要结论如下：
(1)USRP处理显著降低了表面粗糙度。在最佳工艺参数（USRP-6）下，粗糙度相比未经处理的样品降低了约80%。然而，轧制次数过多、振幅过大和静压力过大
作者贡献声明
李天华：数据整理。赵颖：正式分析。徐晨：监督。张威海：监督。王林东：监督。王文明：监督。王彦瑞：撰写——初稿，正式分析，数据整理。徐书博：方法学，资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
徐书博报告称获得了国家自然科学基金的支持。徐书博报告称获得了科技企业的支持
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52001187）、山东省科技企业创新计划（2025TSGCCZZB0503）以及中央指导的地方技术发展资金（编号YDZX2025078）的支持。
