GCr15SiMn軸承鋼表面超聲滾壓處理改性分析

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 a.材料科學與工程學院；b.遼寧省軌道交通關鍵材料重點實驗室，遼寧 大連 116028)

軸承是各類裝備最重要的關鍵基礎件之一，在現代工業(yè)和制造技術中占有重要地位。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)加工工藝的基礎上進一步改善軸承零件的表面性能具有重要的理論和實際意義。與其他表面強化技術(如噴丸和滾壓)相比，表面超聲滾壓技術工藝簡單，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力及形變組織[8]，這些特點對改善材料表面質量和提高材料疲勞性能具有獨特的優(yōu)勢。

表面超聲滾壓技術是將傳統(tǒng)滾壓技術與超聲波沖擊相結合[9]，實現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,產生殘余壓應力[10]，這對提高機械零件的抗疲勞性和耐磨性非常有利。加工后工件表面產生一定的彈性回復，產生的塑性流動使其表面的“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，表面超聲滾壓技術迅速發(fā)展，并且得到了廣泛應用。文獻[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，超聲滾壓可實現試樣表面納米化，提高材料耐腐蝕性和耐磨性。文獻[14]分析了超聲滾壓處理對6163鋁合金表面粗糙度的影響，合理選擇加工參數可以極大降低工件表面粗糙度。文獻[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)現后者試樣表面粗糙度明顯降低，殘余壓應力增加，疲勞極限增加。文獻[16]對超聲滾壓處理前后的航空用2D12鋁合金進行疲勞性試驗，結果表明超聲滾壓加工后材料的疲勞壽命在相同應力下較之前提高了7倍。文獻[17]研究發(fā)現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力層，有效減小裂紋的擴展速度，使工件的疲勞強度得到提升。但使用表面超聲滾壓技術處理軸承鋼試樣的研究卻很少。

本文對GCr15SiMn軸承鋼試樣進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 試驗材料及方法

試驗所用材料為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軸承鋼光學顯微組織Fig.1 Optical microstructure of GCr15SiMn bearing steel

試驗采用HK30數控車床對φ60 mm×10 mm的GCr15SiMn軸承鋼試樣進行一次表面超聲滾壓處理，試樣旋轉，超聲滾壓工具頭垂直于試樣表面進行直線移動，移動的距離就是超聲滾壓處理環(huán)的寬度，其技術原理如圖2所示。工藝參數：靜壓力為2 548 N，進給量為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行應力分布測試，測試方法為使用飽和氯化鈉溶液對試樣進行電化學腐蝕剝層，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, 保壓時間為15 s。使用R(M)-150D1洛氏硬度計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，光學顯微鏡觀察的試樣使用4%濃度的硝酸酒精進行腐蝕，掃描電鏡觀察的試樣采用硅溶膠機械化學聯合拋光進行腐蝕[18]。

2 結果及討論

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，機加工紋理數量明顯減少，高峰變小，低谷被填，高峰與低谷間的高度差減小，更為平整，明顯體現出超聲滾壓處理技術“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[19]研究表明晶粒細化能有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，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值進行測試，隨機測試5個點。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次的高頻振動對試樣進行擠壓沖擊，使材料表面產生大幅度的彈塑性變形。處理后試樣表面產生一定的彈性回復，從而大大降低了表面粗糙度。文獻[20]研究表明，滾動接觸件的失效形式受滾道表面粗糙度的影響較大，表面粗糙度高時易產生表面裂紋從而導致剝落失效。當軸承試樣表面粗糙度較大時，即存在較高的凸峰和較深的低谷，在滾動接觸過程中，凸峰先被接觸，凸峰處易產生接觸應力集中，從而降低軸承的接觸疲勞壽命，表面粗糙度Ra值越大，應力集中程度越大，壽命越短。表面超聲滾壓處理產生的塑性流動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，使應力集中程度減弱，從而有效延長軸承鋼的滾動接觸疲勞壽命。

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，隨機測試5個點。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，硬化層深度應比變形層略深一點。

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

硬度與強度有一定的對應關系，硬度越高，材料屈服強度越高[21]。超聲滾壓處理后試樣硬度提高的原因可能為：1)經超聲滾壓強化后材料表面的組織發(fā)生塑性變形和晶粒細化，進而導致晶界面積增多，位錯運動阻力增大，使晶粒間位錯密度增加，金屬表面產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展形成疲勞破壞的主裂紋。裂紋向表面擴展的過程中，試樣接觸疲勞裂紋形成與擴展的動力學參數是次表面處最大剪切應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，使裂紋擴展阻力增大，擴展速率減小，從而延長軸承鋼的接觸疲勞壽命[23]。

2.5 表面殘余應力

分別對超聲滾壓處理前后試樣表面進行殘余應力測試，軸向殘余應力與試樣磨削方向垂直，周向殘余應力與磨削方向平行。處理前試樣周向殘余壓應力為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工具頭在材料表面的高頻振動，材料表面發(fā)生嚴重的塑性變形及表面晶粒細化，產生較大的殘余壓應力。處理前后試樣的軸向殘余應力均大于周向殘余應力，其原因為沿著周向方向的磨削及表面超聲滾壓處理會使金屬有向兩側流動的趨勢，即向軸向流動的趨勢。

超聲滾壓處理前后試樣從表面到心部殘余應力分布如圖6所示,由圖可知：處理前試樣無論周向還是軸向殘余壓應力的最大值都在表面，隨距表面深度的增加，殘余壓應力減少，在距表面約100 μm處應力值趨于平穩(wěn);處理后試樣無論周向還是軸向殘余壓應力的最大值都不在最表面，隨距離表面深度的增加，殘余壓應力先增大，在距表面約200 μm的次表面出現最大壓應力，周向最大壓應力為575 MPa，軸向最大壓應力為766 MPa，殘余壓應力達到最大后逐漸減小，在距表面700 μm處應力值趨于平穩(wěn)，超聲滾壓處理后試樣的殘余壓應力作用層提高了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力大小和分布發(fā)生了明顯的變化，其特點是壓應力層厚度明顯增加，不但表面壓應力大幅度提高，而且壓應力在表面分布還出現了一個突出的特點，即最大壓應力出現在距表面約200 μm處。最大殘余壓應力分布在次表面是由于超聲滾壓處理過程中表面會產生彈塑性變形，彈性變形恢復后，表面的殘余壓應力得到釋放，產生的塑性變形使次表面的殘余壓應力達到最大。軸承的接觸疲勞裂紋通常在材料的次表面萌生，表面殘余壓應力的增加可有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展。高殘余壓應力值部分抵消掉外界循環(huán)應力所產生的拉應力，使次表面處最大剪切應力值減小，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]。殘余壓應力也不是越大越好，有研究表明當σr+σm+σa>σs時, 殘余應力松弛, 殘余應力對疲勞壽命無影響;當σr+σm+σa<σs時, 殘余應力不松弛, 殘余應力對疲勞壽命有影響 ，其中σm為平均應力，σr為殘余應力，σs為材料的屈服極限，σa為應力幅[24]。表面適當的殘余壓應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 結論

將GCr15SiMn軸承鋼試樣進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、殘余壓應力和顯微組織進行了對比分析，得出以下結論：

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力分布規(guī)律，無論周向還是軸向殘余壓應力的最大值都不在表面，而是在距表面約200 μm的次表面，周向最大壓應力為575 MPa,軸向最大壓應力為766 MPa，殘余壓應力作用層由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。