碳氮共滲預(yù)處理對球軸承壽命的影響

趙坤，張國威，朱洪峰

(慈興集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，浙江 寧波 315301)

隨著工業(yè)發(fā)展的需要，在惡劣的工作條件下，比如污染潤滑條件下，高壽命、高耐磨性軸承的需求越來越大[1]。

GCr15軸承鋼是一種合金含量少、性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的高碳鉻軸承鋼，常規(guī)淬回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能和一定的沖擊韌性。為提高軸承的壽命與耐磨性，可對零件的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等。氮原子的直徑與碳原子相近，能夠溶入α-Fe和γ-Fe形成間隙固溶體，氮能夠降低Ms點(diǎn)溫度，對鋼件表層進(jìn)行滲氮或碳氮共滲處理可改善表層多種性能[2]。

通過對GCr15軸承套圈使用碳氮共滲預(yù)處理并淬回火，研究碳氮共滲處理后套圈的淬回火金相組織、表層硬度、表層應(yīng)力與殘余奧氏體，并與未經(jīng)碳氮共滲處理的GCr15軸承套圈進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

將GCr15鋼制6202W9軸承內(nèi)、外圈作為試樣，其化學(xué)成分見表1。

表1 試樣的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of sample w，%

1.2 試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)在箱式熱處理爐中進(jìn)行，碳氮共滲方案和熱處理工藝見表2和表3。

表3 碳氮共滲熱處理工藝Tab.3 Heat treatment process for carbonitriding

未經(jīng)碳氮共滲處理的試樣在R300型連續(xù)網(wǎng)帶爐上進(jìn)行淬火處理，熱處理工藝見表4，該試樣未經(jīng)過水冷處理。

表4 未碳氮共滲熱處理工藝Tab.4 Heat treatment process for not uncarbonitriding

1.3 檢測儀器

使用HXD-1000TMJC型顯微維氏硬度計(jì)測量碳氮共滲硬化層硬度。使用ZEISS Axio Scope金相顯微鏡觀察顯微組織。使用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀測量試樣的表層殘余應(yīng)力和殘余奧氏體。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織對比

在不同的共滲溫度下，套圈的組織和硬度見表5。由表可知，不同的共滲溫度對組織和硬度的影響差別不大，試樣的表層組織均為2級[3]，心部組織為2～3級[4]，硬度的差別也不大，且組織和硬度均在合格范圍內(nèi)。但是在碳氮共滲的過程中為了細(xì)化組織，在試驗(yàn)中將共滲溫度設(shè)定為840 ℃。

表5 不同共滲溫度下的組織和硬度Tab.5 Microstructure and hardness under different carbonitriding temperatures

對采用表3中共滲溫度為840 ℃的碳氮共滲熱處理工藝的試樣組織進(jìn)行分析。碳氮共滲預(yù)處理試樣和未碳氮共滲預(yù)處理試樣經(jīng)淬、回火的低倍和高倍金相組織如圖1和圖2所示。

圖1 淬、回火后的低倍金相組織(200×)Fig.1 Microstructure at low magnification after quenching and tempering(200×)

由圖1a、圖2a和圖2b可知，碳氮共滲預(yù)處理并淬回火后，軸承鋼的金相組織由碳氮共滲層和心部組織組成。1)碳氮共滲層(含過渡層)：結(jié)合金相法與硬度法的測量得知碳氮共滲有效硬化層深度約為0.31 mm，其滲層顯微組織為含氮馬氏體+殘余奧氏體+碳氮化合物，細(xì)小的碳氮化合物顆粒均勻地分布在基體上，其數(shù)量相較于心部組織顯著增多，含氮馬氏體為3級，碳氮化合物為2級[3]。2)心部：隱針馬氏體+細(xì)針馬氏體+均勻分布的細(xì)小顆粒碳化物+殘余奧氏體，馬氏體為2級，碳化物為1級。結(jié)合圖1b和圖2c可知，未碳氮共滲預(yù)處理的軸承鋼表面和心部組織都是由隱針馬氏體、細(xì)針馬氏體、殘留的細(xì)小顆粒碳化物以及少量殘余奧氏體組成的正常的淬回火馬氏體組織，馬氏體為2級，碳化物為1級。

圖2 淬、回火后的高倍金相組織(500×)Fig.2 Microstructure at high magnification after quenching and tempering(500×)

2.2 碳氮共滲對硬化層硬度的影響

碳氮共滲預(yù)處理試樣和未碳氮共滲預(yù)處理試樣經(jīng)淬、回火后的硬度梯度如圖3所示。由圖可知，碳氮共滲預(yù)處理試樣心部和未碳氮共滲預(yù)處理試樣的硬度差別不大，處于正常的合格范圍內(nèi)。但是碳氮共滲預(yù)處理試樣在碳氮共滲層的硬度大于未碳氮共滲預(yù)處理試樣，最大差值約為3 HRC。這是因?yàn)椋阂环矫妫嫉矟B后，淬火加熱時(shí)氮元素固溶于γ-Fe中形成固溶體(含氮馬氏體)，對軸承鋼起到固溶強(qiáng)化作用；另一方面，尚未溶解和回火時(shí)析出的細(xì)小碳氮化合物以顆粒狀在馬氏體基體上彌散分布，形成彌散強(qiáng)化。這說明碳氮共滲預(yù)處理提高了套圈的表面硬度和耐磨性，使其在工作中不易形成壓痕，從而提高了軸承壽命。

圖3 碳氮共滲預(yù)處理對硬度梯度的影響Fig.3 Effect of carbonitriding pretreatment on hardness gradient

2.3 碳氮共滲對表層應(yīng)力狀態(tài)的影響

碳氮共滲與未碳氮共滲試樣淬火后表層應(yīng)力分布如圖4所示。由圖可知，經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理的試樣表層應(yīng)力為壓應(yīng)力，而未經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理的試樣表層應(yīng)力為拉應(yīng)力。各種研究以及資料表明，表面壓應(yīng)力能夠有效地提升軸承的壽命[5]，這是因?yàn)椋阂环矫妫嫉矟B之后，表層中馬氏體的Ms點(diǎn)溫度由于碳、氮含量增加而降低，導(dǎo)致在淬火過程中表層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變而形成表面壓應(yīng)力，而表面壓應(yīng)力能夠使軸承的耐磨性和滾動接觸疲勞性能提高；另一方面，碳氮共滲后形成的表面壓應(yīng)力使氫的滲入和擴(kuò)散受阻，同時(shí)，由于表層密集分布的細(xì)小顆粒碳氮化合物比較耐磨損，故不易形成新鮮金屬表面，金屬的催化作用減弱，氫的生成變得困難，氫脆現(xiàn)象的發(fā)生幾率大為降低，從而軸承的壽命得到提高。

圖4 試樣淬火后表層應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of surface layer in samples after quenching

2.4 碳氮共滲對表層殘余奧氏體的影響

碳氮共滲預(yù)處理和未碳氮共滲預(yù)處理試樣表層的殘余奧氏體含量如圖5所示，經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理的試樣，其表層中殘余奧氏體的含量要大于未經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理的試樣。

圖5 碳氮共滲預(yù)處理對表層殘余奧氏體含量的影響Fig.5 Effect of carbonitriding pretreatment on content of retained austenite in surface layer

最新的研究表明，表層中較高的殘余奧氏體能夠提高軸承的壽命[5-6]。這是因?yàn)樵谖廴緷櫥瑮l件下發(fā)生表面起源型剝落時(shí)會先形成壓痕，壓痕尺寸越大，邊緣曲率越小，應(yīng)力集中越大，壽命越低。因此提高壽命的有效途徑是減小壓痕尺寸，使壓痕邊緣曲率增大。而較多且穩(wěn)定的殘余奧氏體因其易變形的特性可降低壓痕的邊緣效應(yīng)，阻止疲勞源的形成和擴(kuò)展。

2.5 碳氮共滲對材料疲勞壽命的影響

將碳氮共滲預(yù)處理的軸承與未經(jīng)碳氮共滲預(yù)處理的軸承各4套在同等條件下進(jìn)行疲勞壽命測試，結(jié)果見表6。測試條件：室溫；轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；軸向載荷為60 N；徑向載荷為1 900 N；潤滑狀態(tài)為污染潤滑，污染物顆?！?0 μm；基本額定壽命L10為181 h；測試設(shè)備為ABLT-1A軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)。

表6 碳氮共滲預(yù)處理對軸承壽命的影響Tab.6 Effect of carbonitriding pretreatment on life of bearing

從表6中可以看出，經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理軸承的疲勞壽命比未經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理軸承的高，實(shí)際疲勞壽命比值達(dá)到930.8/419.9=2.22倍。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理后淬、回火，套圈表層的滲層顯微組織主要為含氮馬氏體、殘余奧氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細(xì)小顆粒碳氮化合物。

2)經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理后淬、回火，套圈表層的硬度大于未經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理的套圈。

3)套圈經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理后，表層應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

4)經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理后，軸承套圈表層中的殘余奧氏體含量得到了提高。

5)經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理后軸承的疲勞壽命比未經(jīng)過碳氮共滲預(yù)處理軸承的高，實(shí)際疲勞壽命比值可達(dá)2.22倍。

綜合以上分析與測試可以得出，碳氮共滲預(yù)處理工藝可以有效地提高軸承的使用壽命。使用碳氮共滲預(yù)處理的6202W9,6004W10軸承已經(jīng)批量生產(chǎn)并應(yīng)用于汽車空調(diào)壓縮機(jī)上，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。