增加回火工序?qū)Cr15軸承鋼套圈變形的影響

王一博，李淑欣，舒建明，陳銀軍

(1.寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波 315211；2.中國環(huán)馳軸承集團有限公司，慈溪 315318)

0 引 言

滾動軸承是機械裝備中重要的基礎(chǔ)零部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、軌道交通、風(fēng)電等領(lǐng)域[1]。滾動軸承套圈是軸承的主要部件，運行中承受交變疲勞載荷[2]。套圈滾道的尺寸精度直接影響著軸承的裝配精度和質(zhì)量，從而影響軸承的運行負載分布、動態(tài)性能和最終使用壽命[3]。

在生產(chǎn)加工、儲存以及服役期間，軸承套圈會發(fā)生變形，其圓度和尺寸會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致軸承零件精度下降，嚴重影響使用壽命。軸承套圈的變形與多種因素有關(guān)，主要包括熱處理溫度與時間、退火處理、鍛造以及是否及時回火等[4]。研究人員通過改進裝夾方法、改良淬火方式以及延長研磨時間等方法來減小變形[5-6]；這些方法雖然不能完全消除變形，但可以將變形量降低到可接受范圍，這樣引起變形的主要原因就只是材料中殘余應(yīng)力、殘余奧氏體含量以及相轉(zhuǎn)變等。當軸承套圈整體應(yīng)力失去平衡時必然發(fā)生變形，一切減小或減慢應(yīng)力變化的方法都可以減小變形[7]，其加工過程中的回火工序就是為了去除應(yīng)力[8]。此外，殘余奧氏體組織也是影響軸承套圈變形和尺寸精度的關(guān)鍵因素[9-16]；殘余奧氏體是一種亞穩(wěn)相，在軸承存放及服役過程中很容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于奧氏體組織與馬氏體組織有比容差異，導(dǎo)致軸承套圈產(chǎn)生變形，引起軸承套圈尺寸的變化[17]。對精密軸承的回火研究表明，增加回火工序、延長回火時間、提高回火溫度，都能夠有效減少殘余奧氏體含量，提高組織穩(wěn)定性，從而減小變形[14-15]。

軸承套圈的常規(guī)制造工藝為原材料鍛造→退火→車削加工→淬火→回火→磨削→裝配，整個過程僅進行了一次回火。經(jīng)過一次回火處理后的軸承套圈在儲存以及服役期間容易發(fā)生變形，圓輪廓不均勻。在實際生產(chǎn)過程中為了解決零件的變形問題，往往在磨削工藝之后增加回火工藝，以提高零件的尺寸穩(wěn)定性[18-19]。因此，為了減小軸承套圈的圓度，亦即減小變形不均勻性，增加套圈尺寸的穩(wěn)定性，可考慮在常規(guī)制造工藝中再增加一次回火工序(二次回火)。作者以GCr15軸承鋼套圈為研究對象，在其原制造工藝的套圈磨削之后增加了一道150 ℃×2 h回火工序，對比研究了工藝改進前后軸承套圈的顯微組織、殘余應(yīng)力和圓度，分析了工藝改進對其變形的影響，為后續(xù)軸承套圈的大批量生產(chǎn)提供理論支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗對象是軸承型號為6311的GCr15軸承鋼套圈，其尺寸如圖1所示，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.94C，0.30Mn，0.002S，1.62Cr，0.23Si，0.003P，余Fe。采用原制造工藝和改進工藝制造的GCr15軸承鋼套圈，套圈原制造工藝為原材料鍛造→退火→車削加工→淬火→回火→磨削→裝配，改進工藝在原制造工藝磨削工序后增加了二次回火(150 ℃×2 h)和超精研磨過程。

圖1 GCr15軸承鋼套圈的尺寸Fig.1 Size of GCr15 bearing steel ring

使用電火花線切割機在軸承套圈外表面上取樣，用丙酮超聲波清洗，研磨，機械拋光，最后用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用SU-5000型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。在軸承套圈外圓周表面選擇4個測試點(A～D)，測試點間隔90°，如圖1所示，切割成尺寸為8 mm×8 mm×6 mm的塊狀試樣，采用D8 Discover型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，掃描速率為2(°)·min-1，2θ在30°～100°，殘余奧氏體含量由(200)α、(211)α、(200)γ、(220)γ、(311)γ衍射峰強度計算得到[16]；采用PROTOX iXRD型殘余應(yīng)力測試儀進行周向殘余應(yīng)力測試，采用鉻靶，Kα射線，2θ在145°～165°，測試電壓和電流分別為25 kV和5 mA。采用RA-2200AS型臺式圓度測量儀的0.25 mm拐角測量探針對軸承內(nèi)外表面的圓度進行檢測，濾波器設(shè)置為高斯低通150UPR。采用HV-1000型顯微硬度計測試硬度，載荷為0.15 N，保載時間為15 s。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖2可見,增加回火工序前后軸承套圈的顯微組織均由板條馬氏體、殘余奧氏體以及球形碳化物顆粒組成，但在增加回火工序后，顯微組織分布更加均勻[20-21]，并且有細小的碳化物顆粒析出。

圖2 增加回火工序前后軸承套圈的SEM形貌Fig.2 SEM images of bearing ring before (a) and after (b)adding tempering process

由圖3可以看出：增加回火工序前后軸承套圈中的碳化物顆粒尺寸基本都小于1 μm，且尺寸分布均呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。增加回火工序前，碳化物顆粒尺寸大多集中在0.3～0.6 μm，且尺寸在0.3～0.4 μm的碳化物顆粒數(shù)量最多；增加回火工序后，碳化物顆粒尺寸大多集中在0.4～0.7 μm，且尺寸在0.5～0.6 μm的碳化物顆粒數(shù)量最多，此外尺寸在0～0.3 μm的細小碳化物顆粒數(shù)量也有所增加。通過統(tǒng)計分析可知，增加回火工序后，碳化物顆?？傮w數(shù)量稍有增加，細小碳化物顆粒數(shù)量增多[22-23]，并且碳化物顆粒的平均尺寸略微增大[24]。

圖3 增加回火工序前后軸承套圈組織中碳化物顆粒的尺寸分布Fig.3 Size distribution of carbide particles in bearing ring structurebefore and after adding tempering process

回火過程中碳化物的析出會導(dǎo)致馬氏體收縮，而由于相對較軟的奧氏體被較硬的馬氏體包裹，因此殘余奧氏體也受到了額外的壓縮作用[25]，積累了相對較高的壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力不利于應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變，因此材料組織穩(wěn)定性提高，不易發(fā)生變形。

2.2 對殘余奧氏體含量的影響

由圖4可知，增加回火工序后，軸承套圈的XRD譜中奧氏體衍射峰強度有所減小。由表1可知，增加回火工序前軸承套圈外表面的殘余奧氏體平均體積分數(shù)為5.63%，增加回火工序后為3.24%?；鼗鹛幚砜梢允共糠謿堄鄪W氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，降低殘余奧氏體含量[13]，同時還可以使沒有轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體變得更加穩(wěn)定，從而提升軸承套圈尺寸的穩(wěn)定性以及減小變形；另外回火溫度越高，回火時間越長，回火后的殘余奧氏體也會變得越穩(wěn)定[26]。

圖4 增加回火工序前后軸承套圈外表面的XRD譜Fig.4 XRD patterns of outer surface of bearing ring before (a) andafter (b) adding tempering process

表1 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余奧氏體含量

2.3 對殘余應(yīng)力的影響

由表2可以看出：在增加回火工序前，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力分布不均勻，在點B和點D處為拉應(yīng)力且應(yīng)力值較大，在點A和點C處為壓應(yīng)力；增加回火工序后，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力分布較為均勻且應(yīng)力值較小，均為壓應(yīng)力。對比可知，增加回火工序后，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且應(yīng)力值明顯減小。

表2 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力

2.4 對圓度和硬度的影響

圓度作為評價軸承精度的一個重要指標，影響著軸承服役后的受載均勻性，決定著軸承的使用壽命。圓度越小，實際圓輪廓(實測圓直徑與基準圓直徑之差形成的曲線)越規(guī)則。規(guī)則的圓輪廓將有助于提高接觸表面載荷的均勻性，從而提高服役壽命和可靠性。由圖5可見，軸承套圈內(nèi)外表面的實際圓輪廓并不規(guī)則。測得增加回火工序前，套圓內(nèi)表面和外表面的圓度分別為8.737，16.973 μm，增加回火工序后分別為1.574，6.766 μm?？梢娫黾踊鼗鸸ば蚝螅S承套圈內(nèi)外表面的圓度都得到了大幅降低，實際圓輪廓變得更加規(guī)則，軸承套圈的尺寸精度提高，變形減小。

圖5 增加回火工序前后軸承套圈的圓輪廓Fig.5 Round profile of bearing ring before (a-b) and after (c-d) adding tempering process:(a, c) inner surface and (b, d) outer surface

將殘余應(yīng)力沿圓周的變化曲線與展開的圓輪廓曲線繪于同一圖中進行對比分析。由圖6可以看出：殘余應(yīng)力相對較大的位置，軸承套圈的尺寸變化(實測圓直徑與基準圓直徑之差)較大，說明套圈變形嚴重；殘余應(yīng)力相對較小的位置，尺寸變化也較小，套圈變形也小。殘余應(yīng)力與套圈的變形存在正相關(guān)性[27]。將軸承套圈緩慢加熱到150 ℃，保溫2 h回火使其材料內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩慢冷卻到室溫，可以釋放套圈內(nèi)部應(yīng)力并且使應(yīng)力分布變得更加均勻[28]，從而減小軸承套圈的變形，提高其尺寸穩(wěn)定性。此外，增加回火工序后，軸承套圈中的殘余奧氏體含量減少，顯微組織分布更加均勻，并且析出了較多的細小碳化物顆粒，使得殘余奧氏體更加穩(wěn)定，從而提高了軸承套圈的尺寸穩(wěn)定性，減小了變形。

圖6 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力與尺寸變化曲線Fig.6 Residual stress and size change curves of outer surface of bearing rings before and after adding tempering process

增加回火工序后，軸承套圈的平均硬度為732.7 HV，略高于未增加回火工序的729.1 HV。在回火過程中馬氏體基體中析出少量碳化物，其彌散析出強化作用彌補了碳從馬氏體中析出導(dǎo)致的弱化[20]，可見回火處理對材料硬度的影響很小，因此增加回火工序不會對軸承套圈的耐磨性能產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié) 論

(1) 在軸承套圈磨削后增加一次150 ℃×2 h的回火工序，制造的軸承套圈組織仍主要由板條馬氏體、殘余奧氏體和球形碳化物顆粒組成，相比于未增加此次回火工序，顯微組織分布更加均勻，細小碳化物顆粒數(shù)量增多，但碳化物平均尺寸略微增大，同時殘余奧氏體含量減少。

(2) 增加回火工序可以消除由變形不均勻引起的套圈各點處殘余應(yīng)力的差異，使得軸承套圈周向的殘余應(yīng)力分布趨于均勻，且均為較小的殘余壓應(yīng)力。

(3) 增加回火工序后，軸承套圈的變形減小，其內(nèi)外表面圓度分別減小了80%和60%，尺寸精度得到較大提高。增加回火工序后，軸承套圈的殘余應(yīng)力減小且分布變得更加均勻，同時組織中細小碳化物增多，使得殘余奧氏體不易發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變而變得更加穩(wěn)定；在上述兩種因素作用下，軸承套圈的尺寸穩(wěn)定性提高，變形減小。