宮崟翔，潘金芝,b，陳春煥,b，趙秀娟,b，任瑞銘,b

(大連交通大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.遼寧省軌道交通關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)

軸承是各類裝備最重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)件之一，在現(xiàn)代工業(yè)和制造技術(shù)中占有重要地位。軸承的服役壽命與軸承零件的表面性能密不可分，也是整套機(jī)械裝備可靠性的保證。軸承零件的失效形式有疲勞失效、磨損失效、強(qiáng)度失效、腐蝕失效等[1-5]。

疲勞失效是常見的形式之一[6]，軸承零件表面常常處于最大應(yīng)力狀態(tài)下，其損傷和失效往往發(fā)生在零件的表面或次表面。在傳統(tǒng)加工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善軸承零件的表面性能具有重要的理論和實(shí)際意義。與其他表面強(qiáng)化技術(shù)(如噴丸和滾壓)相比，表面超聲滾壓技術(shù)工藝簡單，加工效率較高，可獲得較低的表面粗糙度[7]，深度更大且均勻分布的表面殘余應(yīng)力及形變組織[8]，這些特點(diǎn)對改善材料表面質(zhì)量和提高材料疲勞性能具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

表面超聲滾壓技術(shù)是將傳統(tǒng)滾壓技術(shù)與超聲波沖擊相結(jié)合[9]，實(shí)現(xiàn)對金屬表面高速撞擊和傳統(tǒng)滾壓處理，在兩者共同作用下，使金屬表面發(fā)生塑性變形和晶粒細(xì)化，降低表面粗糙度，提高表面硬度，且滾壓過程中工件表面被均勻壓縮,產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[10]，這對提高機(jī)械零件的抗疲勞性和耐磨性非常有利。加工后工件表面產(chǎn)生一定的彈性回復(fù)，產(chǎn)生的塑性流動(dòng)使其表面的“谷”被“峰”充滿，表面粗糙度降到納米級，提高了表面的綜合性能[11]。

近年來，表面超聲滾壓技術(shù)迅速發(fā)展，并且得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[12-13]通過透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析了超聲滾壓對40Cr鋼使用性能的影響，超聲滾壓可實(shí)現(xiàn)試樣表面納米化，提高材料耐腐蝕性和耐磨性。文獻(xiàn)[14]分析了超聲滾壓處理對6163鋁合金表面粗糙度的影響，合理選擇加工參數(shù)可以極大降低工件表面粗糙度。文獻(xiàn)[15]對比AISI304不銹鋼傳統(tǒng)車削加工與車削后超聲滾壓處理的2種試樣，研究發(fā)現(xiàn)后者試樣表面粗糙度明顯降低，殘余壓應(yīng)力增加，疲勞極限增加。文獻(xiàn)[16]對超聲滾壓處理前后的航空用2D12鋁合金進(jìn)行疲勞性試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲滾壓加工后材料的疲勞壽命在相同應(yīng)力下較之前提高了7倍。文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn)超聲滾壓可顯著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，在表面引入殘余壓應(yīng)力層，有效減小裂紋的擴(kuò)展速度，使工件的疲勞強(qiáng)度得到提升。但使用表面超聲滾壓技術(shù)處理軸承鋼試樣的研究卻很少。

本文對GCr15SiMn軸承鋼試樣進(jìn)行表面超聲滾壓處理，對比分析超聲滾壓處理前后試樣表面性能和組織變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為GCr15SiMn軸承鋼，原始顯微組織(圖1)為回火馬氏體、碳化物及少量殘余奧氏體。

圖1 GCr15SiMn軸承鋼光學(xué)顯微組織Fig.1 Optical microstructure of GCr15SiMn bearing steel

試驗(yàn)采用HK30數(shù)控車床對φ60 mm×10 mm的GCr15SiMn軸承鋼試樣進(jìn)行一次表面超聲滾壓處理，試樣旋轉(zhuǎn)，超聲滾壓工具頭垂直于試樣表面進(jìn)行直線移動(dòng)，移動(dòng)的距離就是超聲滾壓處理環(huán)的寬度，其技術(shù)原理如圖2所示。工藝參數(shù)：靜壓力為2 548 N，進(jìn)給量為0.4 mm/r，電流為3.2 A，工作頻率為27～33 kHz，超聲滾壓輸出功率為480 W，總功率為1 800 W。

圖2 超聲滾壓技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic rolling technology

對表面超聲滾壓處理前后的試樣進(jìn)行應(yīng)力分布測試，測試方法為使用飽和氯化鈉溶液對試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕剝層，每次剝層深度約為100 μm，測試深度為2 500 μm。使用JD520表面粗糙度儀測量試樣的表面粗糙度。使用FM-700型硬度儀測量試樣截面的硬度分布，試樣所加載荷為0.49 N, 保壓時(shí)間為15 s。使用R(M)-150D1洛氏硬度計(jì)測量試樣表面洛氏硬度。使用Lecia DMi8A金相顯微鏡和SUPRA 55 型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣組織，光學(xué)顯微鏡觀察的試樣使用4%濃度的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，掃描電鏡觀察的試樣采用硅溶膠機(jī)械化學(xué)聯(lián)合拋光進(jìn)行腐蝕[18]。

2 結(jié)果及討論

2.1 宏觀形貌

超聲滾壓處理前后試樣表面的宏觀形貌如圖3所示，處理前試樣表面的機(jī)加工紋理較深且凸峰與凹谷線條間距密集(圖3a)；處理后試樣表面明顯光滑，機(jī)加工紋理數(shù)量明顯減少，高峰變小，低谷被填，高峰與低谷間的高度差減小，更為平整，明顯體現(xiàn)出超聲滾壓處理技術(shù)“削峰填谷”的效果(圖3b)。

圖3 超聲滾壓處理前后試樣表面SEM形貌Fig.3 SEM morphology of sample before and after ultrasonic rolling treatment

2.2 試樣截面顯微組織

試樣的表面超聲滾壓方向與磨削方向一致，將與表面超聲滾壓處理方向平行的截面制成掃描試樣。超聲滾壓處理前后試樣截面顯微組織如圖4所示，與處理前試樣相比，處理后試樣發(fā)生了明顯的塑性變形，變形層深度約1 μm。文獻(xiàn)[19]研究表明晶粒細(xì)化能有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而顯著延長接觸疲勞壽命。

圖4 表面超聲滾壓處理前后試樣截面顯微組織Fig.4 Section microstructure of sample surface before and after ultrasonic rolling treatment

2.3 表面粗糙度

分別對超聲滾壓處理前后試樣的表面粗糙度Ra值進(jìn)行測試，隨機(jī)測試5個(gè)點(diǎn)。處理前試樣表面粗糙度Ra值為0.153～0.177 μm，其平均值為0.165 μm，處理后試樣的表面粗糙度Ra值為0.061～0.074 μm，其平均值為0.068 μm，平均表面粗糙度Ra值降低了0.097 μm，降幅為58.8%。

這是由于表面超聲滾壓處理中超聲滾壓刀具頭以每秒20 000～30 000次的高頻振動(dòng)對試樣進(jìn)行擠壓沖擊，使材料表面產(chǎn)生大幅度的彈塑性變形。處理后試樣表面產(chǎn)生一定的彈性回復(fù)，從而大大降低了表面粗糙度。文獻(xiàn)[20]研究表明，滾動(dòng)接觸件的失效形式受滾道表面粗糙度的影響較大，表面粗糙度高時(shí)易產(chǎn)生表面裂紋從而導(dǎo)致剝落失效。當(dāng)軸承試樣表面粗糙度較大時(shí)，即存在較高的凸峰和較深的低谷，在滾動(dòng)接觸過程中，凸峰先被接觸，凸峰處易產(chǎn)生接觸應(yīng)力集中，從而降低軸承的接觸疲勞壽命，表面粗糙度Ra值越大，應(yīng)力集中程度越大，壽命越短。表面超聲滾壓處理產(chǎn)生的塑性流動(dòng)使試樣表面的凸峰填充到低谷中，減小了高峰與低谷之間的高度差，使應(yīng)力集中程度減弱，從而有效延長軸承鋼的滾動(dòng)接觸疲勞壽命。

2.4 表面硬度

分別測試超聲滾壓處理前后試樣表面洛氏硬度，隨機(jī)測試5個(gè)點(diǎn)。處理前試樣的洛氏硬度為61.2～61.5 HRC，其平均值為61.4 HRC，處理后試樣的洛氏硬度為63.3～63.4 HRC，其平均值約為63.4 HRC，平均洛氏硬度增加了2 HRC，處理后試樣洛氏硬度比處理前的均勻。

試樣表面至心部的顯微硬度分布如圖5所示，試樣處理前后表面顯微硬度明顯提高，與表面洛氏硬度規(guī)律一致。由于硬化層厚度很小，沒有測試出來，根據(jù)截面組織分析可知，截面顯微組織約有1 μm左右的變形層，硬化層深度應(yīng)比變形層略深一點(diǎn)。

圖5 試樣截面的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of section of sample

硬度與強(qiáng)度有一定的對應(yīng)關(guān)系，硬度越高，材料屈服強(qiáng)度越高[21]。超聲滾壓處理后試樣硬度提高的原因可能為：1)經(jīng)超聲滾壓強(qiáng)化后材料表面的組織發(fā)生塑性變形和晶粒細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致晶界面積增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，使晶粒間位錯(cuò)密度增加，金屬表面產(chǎn)生的加工硬化層使處理后試樣的硬度提高；2)由于少量殘余奧氏體以介穩(wěn)態(tài)的形式存在于試樣中，在處理過程中發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成硬度較高的馬氏體使處理后試樣硬度提高[22]。

疲勞裂紋通常在試樣的次表面萌生，然后沿著所在平面向試樣的表面和心部雙向擴(kuò)展形成疲勞破壞的主裂紋。裂紋向表面擴(kuò)展的過程中，試樣接觸疲勞裂紋形成與擴(kuò)展的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是次表面處最大剪切應(yīng)力與表面硬度的比值，表面超聲滾壓處理后，表面硬度的提高減小了該比值，使裂紋擴(kuò)展阻力增大，擴(kuò)展速率減小，從而延長軸承鋼的接觸疲勞壽命[23]。

2.5 表面殘余應(yīng)力

分別對超聲滾壓處理前后試樣表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，軸向殘余應(yīng)力與試樣磨削方向垂直，周向殘余應(yīng)力與磨削方向平行。處理前試樣周向殘余壓應(yīng)力為201 MPa，處理后為319 MPa，提高了118 MPa，增幅為58.7%；處理前試樣軸向殘余壓應(yīng)力為402 MPa，處理后為647 MPa，提高了245 MPa，增幅為60.9%。由于表面超聲滾壓處理時(shí)工具頭在材料表面的高頻振動(dòng)，材料表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形及表面晶粒細(xì)化，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。處理前后試樣的軸向殘余應(yīng)力均大于周向殘余應(yīng)力，其原因?yàn)檠刂芟蚍较虻哪ハ骷氨砻娉暆L壓處理會(huì)使金屬有向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢，即向軸向流動(dòng)的趨勢。

超聲滾壓處理前后試樣從表面到心部殘余應(yīng)力分布如圖6所示,由圖可知：處理前試樣無論周向還是軸向殘余壓應(yīng)力的最大值都在表面，隨距表面深度的增加，殘余壓應(yīng)力減少，在距表面約100 μm處應(yīng)力值趨于平穩(wěn);處理后試樣無論周向還是軸向殘余壓應(yīng)力的最大值都不在最表面，隨距離表面深度的增加，殘余壓應(yīng)力先增大，在距表面約200 μm的次表面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，周向最大壓應(yīng)力為575 MPa，軸向最大壓應(yīng)力為766 MPa，殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大后逐漸減小，在距表面700 μm處應(yīng)力值趨于平穩(wěn)，超聲滾壓處理后試樣的殘余壓應(yīng)力作用層提高了6倍。

圖6 超聲滾壓處理前后試樣的表面殘余應(yīng)力分布Fig.6 Residual stress distribution on surface layer of sample before and after ultrasonic rolling treatment

試樣在超聲滾壓處理后表面應(yīng)力大小和分布發(fā)生了明顯的變化，其特點(diǎn)是壓應(yīng)力層厚度明顯增加，不但表面壓應(yīng)力大幅度提高，而且壓應(yīng)力在表面分布還出現(xiàn)了一個(gè)突出的特點(diǎn)，即最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在距表面約200 μm處。最大殘余壓應(yīng)力分布在次表面是由于超聲滾壓處理過程中表面會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形，彈性變形恢復(fù)后，表面的殘余壓應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生的塑性變形使次表面的殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大。軸承的接觸疲勞裂紋通常在材料的次表面萌生，表面殘余壓應(yīng)力的增加可有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。高殘余壓應(yīng)力值部分抵消掉外界循環(huán)應(yīng)力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使次表面處最大剪切應(yīng)力值減小，從而延緩疲勞裂紋源的萌生，延長疲勞裂紋源的萌生期，從而提高軸承的接觸疲勞壽命[22]。殘余壓應(yīng)力也不是越大越好，有研究表明當(dāng)σr+σm+σa>σs時(shí), 殘余應(yīng)力松弛, 殘余應(yīng)力對疲勞壽命無影響;當(dāng)σr+σm+σa<σs時(shí), 殘余應(yīng)力不松弛, 殘余應(yīng)力對疲勞壽命有影響 ，其中σm為平均應(yīng)力，σr為殘余應(yīng)力，σs為材料的屈服極限，σa為應(yīng)力幅[24]。表面適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力可以使試樣承受更大的軸向載荷，對起源于表面的疲勞裂紋也是有益的。

3 結(jié)論

將GCr15SiMn軸承鋼試樣進(jìn)行表面超聲滾壓處理，對處理前后試樣的表面粗糙度、表面硬度、殘余壓應(yīng)力和顯微組織進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1)表面超聲滾壓處理后，試樣平均表面粗糙度Ra值由0.165 μm降到0.068 μm，降幅為58.8%，試樣表面平整，突顯削峰填谷的效果；試樣表面平均洛氏硬度由61.4 HRC提高到63.4 HRC，平均硬度值提高了2 HRC。

2)表面超聲滾壓處理后，周向殘余壓應(yīng)力由201 MPa提高到319 MPa，提高了118 MPa，增幅為58.7%；軸向殘余壓應(yīng)力由402 MPa提高到647 MPa，提高了245 MPa，增幅為60.9%。

3)超聲滾壓處理改變了試樣表面壓應(yīng)力分布規(guī)律，無論周向還是軸向殘余壓應(yīng)力的最大值都不在表面，而是在距表面約200 μm的次表面，周向最大壓應(yīng)力為575 MPa,軸向最大壓應(yīng)力為766 MPa，殘余壓應(yīng)力作用層由100 μm增至700 μm，提高了6倍。

4)表面超聲滾壓處理后，試樣表面顯微組織發(fā)生明顯塑性變形，形成約1 μm的塑性變形層。