滾動(dòng)軸承表面強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展趨勢

王曉強(qiáng)，劉佳，卜敏，崔鳳奎

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中國船舶重工集團(tuán)公司七二五研究所，河南 洛陽471023)

軸承作為機(jī)械關(guān)鍵基礎(chǔ)件，直接影響整個(gè)裝備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展,對滾動(dòng)軸承耐磨、耐蝕、抗疲勞性能等提出了更高要求[1]。從表面強(qiáng)化技術(shù)角度進(jìn)一步提高滾動(dòng)軸承的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，目前在該技術(shù)方面的研究也已取得部分成果，但表面強(qiáng)化過程中仍存在一系列問題，需要進(jìn)行深入的探討。因此，對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析和總結(jié)，預(yù)測滾動(dòng)軸承表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢，為進(jìn)一步深入研究提供思路。

1 軸承表面強(qiáng)化技術(shù)方法與特點(diǎn)

目前適用于滾動(dòng)軸承表面強(qiáng)化的技術(shù)主要有：表面涂層、表層改性和表面機(jī)械強(qiáng)化[2]。

1.1 表面涂層技術(shù)

表面涂層是在基體表面涂覆一層或多層不同材料的薄膜，有機(jī)地將基材和表面涂層的性能特點(diǎn)結(jié)合起來，發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢，同時(shí)滿足對強(qiáng)度、耐磨、耐蝕等性能的要求，達(dá)到強(qiáng)化軸承的目的。表面涂層技術(shù)主要包括熱噴涂、粘結(jié)固體潤滑涂層、高分子涂層、堆焊、溶膠-凝膠法[3]等。工程中常用于制造涂層的材料很多，主要包括陶瓷材料、類金剛石、金屬碳氮化物以及復(fù)合材料[4-6]等。表面涂層的最大優(yōu)勢是能夠以多種方式制備出優(yōu)于基體材料性能的薄涂層，技術(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于涂層與基體間的結(jié)合度、熱膨脹特性與斷裂韌度。

表面涂層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可以提高滾動(dòng)軸承的硬度、耐蝕性、耐磨性、改善摩擦條件，但仍存在涂層與基體結(jié)合度不理想，鍍層厚度不一，鍍液使用壽命較短，設(shè)備成本高等問題。

1.2 表層改性技術(shù)

表層改性通常是利用物理、化學(xué)等手段使零件表層的組織、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變，從而達(dá)到理想的表層強(qiáng)化效果，起到延長軸承壽命、降低軸承摩擦力矩，提高軸承可靠性的作用。常用表層改性技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PCVD)、離子注入、激光表面強(qiáng)化和等離子擴(kuò)滲處理等[7]。

雖然表層改性技術(shù)對滾動(dòng)軸承表面處理是一種較好的技術(shù)，但仍存在一些問題：1)表層改性技術(shù)強(qiáng)化軸承所需的設(shè)備成本很高，且利用化學(xué)手段處理很容易產(chǎn)生有害氣體；2)很難處理形狀較復(fù)雜的零件，如有殼、凹面等形狀的零件；3)強(qiáng)化過程復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中很難大規(guī)模推廣，不利于規(guī)?；a(chǎn)，目前僅在軍工、航空航天等小范圍內(nèi)應(yīng)用。

1.3 表面機(jī)械強(qiáng)化

表面機(jī)械強(qiáng)化是利用冷壓方法使零件表層產(chǎn)生塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，表層不規(guī)則的波峰金屬擠進(jìn)波谷，使表層金屬得到強(qiáng)化，提高表面硬度，改善表面質(zhì)量；同時(shí)表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，可顯著提高零件的抗疲勞性能。傳統(tǒng)的表面機(jī)械強(qiáng)化主要包括噴丸與滾壓強(qiáng)化。

噴丸強(qiáng)化是采用高速噴射的方法，通過壓縮空氣將丸珠噴射到零件表層從而使表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和硬化層，以達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度和使用壽命的目的。

滾壓強(qiáng)化是一種無切削的加工方法。滾壓過程中，通過驅(qū)動(dòng)特制的滾壓工具在零件表面往復(fù)滾壓。滾壓方式有滾柱滾壓和滾珠滾壓。表面滾壓強(qiáng)化可將金屬表面微觀凸峰壓平，降低零件表面粗糙度值；同時(shí)，由于在零件表面產(chǎn)生塑性變形層，使表層晶粒細(xì)化，硬度提高，并形成了殘余壓應(yīng)力，從而使零件的耐磨性、抗疲勞性能得到明顯改善。

雖然噴丸和滾壓強(qiáng)化都能使工件表層產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力，但噴丸存在使工件表面粗糙度值增大及過硬化等問題；滾壓方法易使靜壓力過大，造成薄壁類軸承表層產(chǎn)生冷作硬化而變脆，降低疲勞壽命。

另外，近年來在表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒋蠊β食暭夹g(shù)用于軸承表面強(qiáng)化方法的研究得到了迅速發(fā)展，主要包括超聲噴丸強(qiáng)化、超聲擠壓和超聲滾壓等技術(shù)。將功率超聲用于滾壓、擠壓等軸承表面強(qiáng)化可以很好地避免由于靜壓力過大造成的軸承表面劃傷，在引入殘余壓應(yīng)力、細(xì)化晶粒的同時(shí)產(chǎn)生表面拋光的作用，因此該技術(shù)可以更好地處理薄壁類軸承表面強(qiáng)化方面的問題。

1.4 小結(jié)

滾動(dòng)軸承不同表面強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 滾動(dòng)軸承表面強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The advantages and disadvantages of precise rolling bearing surface strengthening technology

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

對于表面涂層、表層改性強(qiáng)化技術(shù)，國外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究。在涂層的研究與應(yīng)用中，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)涂層，對涂層材料進(jìn)行性能測試。文獻(xiàn)[8]采用冷噴涂法在新型銅合金表面制備一層抗氧化保護(hù)層，并在高溫條件下對抗氧化層進(jìn)行了抗氧化能力的分析。文獻(xiàn)[9]利用等離子噴涂技術(shù)在TiAl合金表面噴涂Al-21Ti-23Cr涂層，由于化學(xué)成分相似，使涂層與基體之間具有較好的結(jié)合性，并具有較高的抗高溫氧化性能。文獻(xiàn)[10]采用等離子噴涂設(shè)備，制備出Al2O3-TiO2納米涂層，并與成分相同的普通粉末制備的涂層性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，相比普通涂層，納米涂層的耐腐蝕磨損性能提高了3倍。文獻(xiàn)[11]對單層CrN涂層和CrN/MoS2(Ti)涂層進(jìn)行摩擦磨損特性比較，結(jié)果表明，在保持CrN基體良好的粘附特性基礎(chǔ)上添加MoS2(Ti)層對摩擦學(xué)性能有顯著改善，為CrN/MoS2(Ti)涂層在耐磨低摩擦應(yīng)用中提供了科學(xué)依據(jù)。并且，大量的文獻(xiàn)表明，制備涂層的工藝參數(shù)與工藝條件選擇是否恰當(dāng)，將直接影響滾動(dòng)軸承的疲勞壽命[12-14]。

有關(guān)表層改性強(qiáng)化技術(shù)，文獻(xiàn)[15]采用等離子滲氮技術(shù)對3種不同熱處理后的AISI 52100鋼試樣進(jìn)行改性處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，淬火和淬火+回火試樣在等離子滲氮處理后表面硬度有所降低；退火試樣在等離子滲氮后，表面顯微硬度卻明顯提高，且X射線衍射分析表明，表面生成了Fe4N等氮化物。文獻(xiàn)[16]用離子注入的方法對軸承表面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明將大量的Mo+和N+注入軸承表面可有效提高軸承壽命。文獻(xiàn)[17]采用激光熔凝的方法對100Cr6鋼表面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡觀察了改性后鋼表面的顯微組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選取合適的參數(shù)，100Cr6鋼表層組織形態(tài)發(fā)生變化，表層重新奧氏體化且厚度為23 μm。

有關(guān)表面機(jī)械強(qiáng)化，文獻(xiàn)[18]對2種材料鈦合金和不銹鋼進(jìn)行強(qiáng)化，利用透射電鏡觀察對比分析滾壓與激光沖擊不同強(qiáng)化方法處理后材料表層性能，結(jié)果表明，滾壓強(qiáng)化對材料的疲勞性能、硬化程度等均優(yōu)于激光沖擊強(qiáng)化。文獻(xiàn)[19]研究了滾壓后AA6110-T6鋁合金的殘余應(yīng)力與疲勞性能之間的關(guān)系，通過滾壓后溫度的變化分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，且對疲勞性能的影響進(jìn)行了解釋。文獻(xiàn)[20]根據(jù)試驗(yàn)，針對AISI 304不銹鋼通過滾壓和激光噴丸的方法進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，分析了其產(chǎn)生的應(yīng)力和熱穩(wěn)定性與疲勞性能的關(guān)系，并敘述了相關(guān)形成原理。

對于表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域中的超聲強(qiáng)化，文獻(xiàn)[21]應(yīng)用有限元仿真軟件對超聲擠壓加工過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究表明，超聲擠壓相對于傳統(tǒng)擠壓強(qiáng)化可明顯降低靜壓力，且對工具頭磨損較小，工具與工件之間的摩擦對縱向振動(dòng)影響很大。文獻(xiàn)[22]以Ti-6Al-4V合金材料為例，對超聲深冷滾壓與傳統(tǒng)深冷滾壓的滾壓力取值進(jìn)行了比較，相同加工條件，得出超聲深冷滾壓的滾壓力更小的結(jié)論。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于表面涂層、表層改性技術(shù)在軸承強(qiáng)化方面的研究很多。文獻(xiàn)[23]對牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承表面強(qiáng)化工藝和材料的系列開展了試驗(yàn)研究，表明采用等離子堆焊DH-60粉末后軸承表面具有涂層致密、空隙率低、組織結(jié)構(gòu)致密、涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并且磨損量較小，耐磨性提高30%左右，可以有效提高牙輪鉆頭軸承的使用壽命。文獻(xiàn)[24]利用超音速等離子噴涂技術(shù)制備了不同噴涂功率條件下的NiCr-Cr3C2涂層，研究了其表面摩擦學(xué)性能。分析表明，隨噴涂功率的不同，噴涂粒子的溫度和速度對涂層表面分子間作用力產(chǎn)生影響，從而間接改變了涂層表面的自由能，并且自由能及其分量的改變會(huì)直接影響NiCr-Cr3C2涂層表面的摩擦學(xué)特性。文獻(xiàn)[25]采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術(shù)在AISI 52100鋼表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜，對合成薄膜前后試樣的滾動(dòng)接觸疲勞壽命和摩擦磨損性能做測定，結(jié)果表明，TiN膜層致密均勻，與基體結(jié)合良好，軸承鋼硬度和疲勞壽命得到了顯著改善。文獻(xiàn)[26-27]使用離子注入和離子束混合技術(shù)對GCr15，9Cr18，9Cr18Mo等鋼分別進(jìn)行處理，結(jié)果表明，處理后顯著提高了試樣的耐腐蝕、耐磨、抗疲勞壽命等性能。文獻(xiàn)[28]對比研究了等離子滲氮GCr15鋼與GCr15鋼基材在含氮硼酸酯潤滑條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，滲氮鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%氮硼酸酯的潤滑條件下摩擦因數(shù)很小，比未滲氮鋼分別降低了34%和45%。文獻(xiàn)[29]采用稀土處理和丙酮處理技術(shù)對PTFE纖維/芳綸纖維混合編織襯墊進(jìn)行了改性處理，研究了襯墊改性對自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，與未經(jīng)改性處理襯墊的軸承相比，經(jīng)稀土處理和丙酮處理后自潤滑關(guān)節(jié)軸承減磨耐磨性能均得到提高。

對于表面機(jī)械強(qiáng)化，文獻(xiàn)[30]對未經(jīng)過和經(jīng)過表面強(qiáng)化加工的軸承鋼球的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了測試，通過強(qiáng)化加工后，鋼球的次表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，且出現(xiàn)強(qiáng)化峰值，有利于提高鋼球壽命。文獻(xiàn)[31]對薄壁環(huán)形零件滾壓成形過程進(jìn)行了仿真和成形試驗(yàn)，對試件變形區(qū)的力學(xué)特征以及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了分析，證明了采用滾壓強(qiáng)化處理薄壁環(huán)形零件的可行性。文獻(xiàn)[32]對滾壓強(qiáng)化對高碳鉻軸承鋼超長壽命疲勞行為影響研究發(fā)現(xiàn)：在高應(yīng)力低壽命區(qū)，試樣處理前后疲勞裂紋均產(chǎn)生于試樣表面，由于存在表面殘余壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度有所提高；在低應(yīng)力高壽命區(qū)，試樣未處理時(shí)疲勞裂紋產(chǎn)生于次表面，試樣處理后疲勞裂紋產(chǎn)生位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，移動(dòng)至內(nèi)部硬化層和無殘余壓應(yīng)力的部位，較大地提高了疲勞強(qiáng)度。

對于超聲強(qiáng)化，文獻(xiàn)[33]分析了45#鋼在不同工藝參數(shù)下超聲擠壓對材料表面粗糙度和顯微硬度的變化。結(jié)果表明，45#鋼材料表面顯微硬度和表面粗糙度受工具頭半徑、預(yù)壓力和進(jìn)給速度影響明顯，并給出了最優(yōu)值。文獻(xiàn)[34]的研究表明，40Cr試樣經(jīng)過超聲滾壓處理后，表面形成了5 nm左右的納米層，表層晶粒尺寸得到細(xì)化；在對表面粗糙度的影響方面加工次數(shù)、靜壓力和振幅的趨勢相似，在適當(dāng)范圍內(nèi)增大，40Cr的表面質(zhì)量得到顯著改善。文獻(xiàn)[35]介紹了一種超聲深滾與滾光一體化抗疲勞技術(shù)，使工具頭在進(jìn)行大振幅擊打和快速進(jìn)給被加工表面時(shí)可以產(chǎn)生近無摩擦狀態(tài)，不會(huì)對工件表面造成劃傷，因此，可以在引入大深度殘余壓應(yīng)力時(shí)對被處理表面進(jìn)行拋光，同時(shí)使工具頭的磨損降低。

3 軸承強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展趨勢

滾動(dòng)軸承表面強(qiáng)化技術(shù)未來的研究內(nèi)容和發(fā)展趨勢如下：

1)復(fù)合強(qiáng)化工藝

目的是進(jìn)一步提高強(qiáng)化效果，解決單一強(qiáng)化過程中常見的由于作用力大、摩擦等原因造成滾動(dòng)軸承表面產(chǎn)生彈性變形、表面粗糙度值增大等問題。如超聲滾擠壓加工、物理和化學(xué)氣相沉積同時(shí)進(jìn)行離子注入等復(fù)合強(qiáng)化方法。如何將2種工藝產(chǎn)生的表面改變綜合考慮以實(shí)現(xiàn)最佳強(qiáng)化效果是復(fù)合強(qiáng)化工藝研究的難點(diǎn)。

2)納米表面強(qiáng)化技術(shù)

納米改性技術(shù)已成為提高特殊環(huán)境條件下滾動(dòng)軸承使用壽命的一種有效手段。納米強(qiáng)化可以顯著改善材料的組織結(jié)構(gòu)或賦予材料新的性能，軸承可獲得較高的硬度、良好的自潤滑性、耐磨性及耐蝕性。目前，各種采用納米粉末改性的金屬、高分子材料，采用表面納米噴涂技術(shù)的絕緣軸承等已在國外取得了重大進(jìn)展，但納米表面強(qiáng)化技術(shù)在國內(nèi)尚處于起步階段，如何將納米表面強(qiáng)化的優(yōu)異性能賦予到滾動(dòng)軸承上以提高其可靠性具有重要的研究意義。

3)組織強(qiáng)化機(jī)理的研究

目前對軸承表面強(qiáng)化只是一些基礎(chǔ)性的試驗(yàn)探究，對強(qiáng)化過程中材料表層微觀組織強(qiáng)化機(jī)理的研究尚缺乏系統(tǒng)性。需要進(jìn)一步深入研究晶粒尺寸、微觀應(yīng)力、微觀應(yīng)變在其表層的變化規(guī)律；探討晶粒級的塑性變形機(jī)理、晶粒位錯(cuò)的產(chǎn)生和滑移規(guī)律?？紤]不同強(qiáng)化方法中工藝參數(shù)對微觀組織的影響，建立工藝參數(shù)與微觀組織特征參數(shù)的關(guān)系，對于預(yù)測和控制強(qiáng)化過程中金屬組織演變，最終使軸承獲得良好的力學(xué)性能。