平面磨削淬硬GCr15 軸承鋼變質(zhì)層形成規(guī)律實驗研究

郭吉恩

（長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

淬硬GCr15 軸承具有高耐磨性能和優(yōu)異的抗疲勞能力，廣泛適用于高性能軸承等機械裝備關(guān)鍵部件[1]。磨削是軸承套圈精密加工的重要工序，磨削加工質(zhì)量決定了軸承零件的使用性能[2]。但從可加工角度分析，淬硬鋼是典型的難加工材料，在磨削過程中會產(chǎn)生較大的磨削力和磨削高溫，從而導(dǎo)致加工表面發(fā)生冶金變化，形成與基體材料截然不同的變質(zhì)層[3]。這種變質(zhì)層的表層在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為白色，通常被稱為“白層”，而白層下方的組織顏色相較基體更暗，因此被稱為“暗層”[4]。白層具有高硬度、耐腐蝕、細晶粒的特性[5-6]，但白層形成過程往往伴隨著殘余拉應(yīng)力和微裂紋[7]，導(dǎo)致零件的疲勞壽命顯著降低[8]，因此在加工過程中通常極力避免白層的產(chǎn)生。暗層相較基體發(fā)生了軟化，組織具有易腐蝕的特性，由于其硬度和強度的降低，導(dǎo)致軸承在工作過程中產(chǎn)生較大的游隙，從而嚴重影響了零件的使用性能和服役壽命[9]。對于磨削加工而言，可以通過微量切深的方式減少變質(zhì)層的產(chǎn)生，但這會導(dǎo)致制造成本增加和加工效率降低。因此，研究淬硬GCr15 鋼平面磨削變質(zhì)層的形成規(guī)律，對優(yōu)化磨削加工工藝、改善零件加工質(zhì)量和服役性能具有重要意義。

本文開展了淬硬GCr15 軸承鋼平面磨削實驗，研究了磨削工藝參數(shù)對磨削力和磨削溫度的影響，探究了相應(yīng)磨削條件下變質(zhì)層的厚度變化、組織形貌和顯微硬度變化，分析了磨削變質(zhì)層的形成規(guī)律。

1 實驗方案

本研究選用的工件材料為淬硬GCr15 軸承鋼，工件尺寸為10 mm×10 mm×12 mm（長×寬×高），通過切割軸承套圈獲得工件。該軸承經(jīng)過了標準的熱處理工藝，包括在850 ℃奧氏體化2 h 并油浴淬火，以及180 ℃回火2 h，所得到的材料組織由回火馬氏體、碳化物顆粒和殘余奧氏體組成，工件表面平均硬度為62 HRC。磨削實驗在數(shù)控精密平面磨床MGK7120×6 上開展，實驗裝置如圖1 所示。采用樹脂結(jié)合劑CBN 砂輪，砂輪目數(shù)為160#，采用Kister-9275B 型測力儀測量磨削力，采用K 型熱電偶測量磨削表面的溫度，采用NI-9212 型信號采集系統(tǒng)對溫度信號進行采集和分析。磨削方式采用單行程逆磨削，采用水溶性切削油作為磨削液，砂輪速度vs為31.4 m/s，工件進給速度vw為6 m/min，磨削深度ap分別設(shè)置為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm。

圖1 磨削實驗裝置

通過電火花線切割將工件剖開，對工件截面進行打磨和拋光，并采用4%的硝酸酒精溶液對工件腐蝕25 s。采用奧林巴斯GX53M 型金相顯微鏡對變質(zhì)層金相組織進行觀察；采用JSM-7900F 型掃描電子顯微鏡（SEM）對變質(zhì)層微觀組織形貌金相分析；采用HVST-1000Z 型半自動維氏顯微硬度計測量變質(zhì)層的顯微硬度變化，載荷大小為100 g，加載時間為10 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨削力和磨削溫度

圖2 所示為干磨與濕磨條件下的磨削力變化規(guī)律?？梢钥闯觯ハ髁﹄S著切深的增大而增大，不同條件下的法向磨削力與切向磨削力之比均大于2。在相同切深下，濕磨條件下的切向磨削力要遠低于干磨，這是因為磨削液滲入砂輪/工件接觸界面并形成潤滑膜，從而減輕砂輪上的磨粒與工件材料和切屑之間的摩擦，同時磨削液對磨削刃上的黏附切屑起到了沖刷作用，有效防止了砂輪堵塞現(xiàn)象，從而降低了工件與砂輪間的摩擦系數(shù)，降低了切向磨削力的大小。

圖2 磨削力變化規(guī)律

圖3 所示為磨削過程中測得的原始溫度信號（ap=30 μm），可以看出，當砂輪碾過熱電偶位置時，磨削溫度急劇上升至峰值，該峰值溫度代表了磨削區(qū)的溫度，干磨條件下的磨削溫度（850 ℃）遠高于濕磨條件下的溫度（591 ℃），在干磨條件下升溫速率高達3.3×104℃/s，而在濕磨條件下升溫速率也達到了2.9×104℃/s。由于濕磨條件下切向磨削力低，單位時間內(nèi)磨削所做的功也更少，因此產(chǎn)生的總熱量更低，同時由于磨削過程中砂輪/工件界面的熱量被磨削液不斷帶走，使得傳遞到工件的熱量占比降低，并抑制了工件表面的熱量累積，從而使得磨削溫度顯著降低。當砂輪離開工件表面時，溫度急劇降低，且濕磨條件下的降溫速率要遠高于干磨，但即使是干磨條件下降溫速率也高達103℃/s，溫度變化速率遠超過常規(guī)的淬火過程。

圖3 典型干磨與濕磨的溫度信號

2.2 變質(zhì)層組織

圖4a 所示為干磨條件下磨削深度ap=30 μm 時工件截面在光學(xué)顯微鏡下金相組織，可以看出產(chǎn)生了一層明顯的變質(zhì)層，由表及里依次為白層、暗層和基體，白層/暗層之間、暗層/基體之間均無明顯的分界線，白層的厚度在25～30 μm 波動，在本研究的實驗條件下，暗層的厚度要遠大于白層。圖4b所示為在SEM 高放大倍率下該樣品基體的組織形貌，形狀不規(guī)則、隨機分布的碳化物顆粒嵌入在回火馬氏體組織中，碳化物顆粒的平均直徑為0.4 μm。圖4c所示為相同放大倍率下白層的組織形貌，白層表現(xiàn)出耐腐蝕的特性，腐蝕后表面平整、致密，觀察到的碳化物顆粒數(shù)量較少。圖4d 所示為暗層的組織形貌，暗層發(fā)生了嚴重腐蝕，表面具有疏松、多孔的形貌，存在密集的腐蝕微坑，原本被包埋在里層的碳化物顆粒腐蝕后暴露于表面，組織形貌的顯著差異解釋了變質(zhì)層在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為不同的亮暗區(qū)域。根據(jù)磨削測溫結(jié)果可知，磨削過程中溫度達到了850 ℃，超過了材料的名義相變溫度745 ℃，工件表面將發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，而當砂輪離開工件表面時，溫度急劇降低，此時工件表面將發(fā)生馬氏體相變，最終形成了具有過飽和固溶碳的馬氏體組織[10]，從而提升了白層的耐腐蝕性。由于次表層溫度低于磨削表面，同時降溫速率也要低于表面，不足以發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，在高溫下材料發(fā)生了回火，馬氏體組織內(nèi)固溶的碳原子析出并形成碳化物，從而增大了碳化物和馬氏體間的電化學(xué)電位差[11]，使得材料對腐蝕過程更加敏感，形成了暗層組織。

圖4 變質(zhì)層的組織形貌

圖5 所示為切深對變質(zhì)層厚度的影響規(guī)律，磨削變質(zhì)層形成的主要影響因素是磨削熱和應(yīng)力應(yīng)變，這兩種效應(yīng)的影響程度在磨削過程中可以通過磨削溫度和磨削力來反映。可以看出變質(zhì)層的厚度隨著切深的增大而增大，濕磨條件下的變質(zhì)層厚度要遠低于干磨，暗層與白層的厚度之比大于4。其中暗層厚度與磨削溫度具有強烈的相關(guān)性，即使在10 μm的小切深下也能觀察到暗層，這是因為暗層是高溫回火的產(chǎn)物，磨削深度增大和冷卻條件惡化都會使得高溫深入工件內(nèi)部，從而形成更厚的暗層。在濕磨條件下，當切深為10 μm 和20 μm 時，測得磨削溫度分別為290 ℃和407 ℃，表面并未形成白層。在干磨條件下，當切深為30 μm 和40 μm 時，磨削溫度遠超過名義相變溫度，此時表面形成了厚度均勻的白層。而干磨條件下切深為10 μm 和20 μm時，測得的溫度低于材料的名義相變溫度，在工件截面分別觀察到了厚度為2 μm 和7 μm 的白層，說明白層能夠低于該溫度產(chǎn)生，這是由于應(yīng)力應(yīng)變對白層的形成起到了促進作用，使得材料的奧氏體轉(zhuǎn)變能夠在低于名義相變溫度下進行[12]。

圖5 切深對變質(zhì)層厚度的影響規(guī)律

2.3 變質(zhì)層顯微硬度

本文研究了在干磨條件下，磨削深度ap分別為10 μm、20 μm、30 μm、40 μm 時工件截面的顯微硬度變化規(guī)律。圖6 所示為顯微硬度壓痕，考慮到材料的硬度特性和壓痕大小，為了防止壓痕之間相互干涉影響測量結(jié)果，采用了交錯測量的方法，兩個壓痕之間的距離設(shè)置為30 μm。圖7 所示為變質(zhì)層硬度沿磨削深度方向的變化曲線，可以看出不同磨削深度下的硬度變化曲線均具有“勾形”特征，其中白層硬度要高于基體，硬度可以達到900 HV 以上，這是由于白層在形成過程中伴隨著奧氏體轉(zhuǎn)變，形成了具有過飽和固溶碳的馬氏體組織，從而使得組織的固溶強化效應(yīng)增強。最表層材料的硬度隨著磨削深度的增大而增大，最高達到1 057 HV，其原因是切深增大導(dǎo)致磨削力增大，使得表層材料的應(yīng)力應(yīng)變增大，嚴重的塑性變形將使得材料組織內(nèi)部的位錯密度和孿晶亞結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，從而使得晶體對滑移的阻力增加，這將使得材料的硬度和強度提高。暗層的硬度要低于基體，最低硬度只有492 HV，這是由于在回火過程中馬氏體晶格內(nèi)的碳原子發(fā)生析出，使得固溶強化效應(yīng)減弱，不同切深下暗層的最低硬度接近，磨削過程中具有連續(xù)的溫度場，因此距表面不同深度處材料的回火程度也不同，隨著距工件表面深度增大，暗層的硬度也逐漸回升至基體的硬度740 HV 左右。

圖6 顯微硬度壓痕

圖7 截面硬度變化曲線

3 結(jié)語

（1）在其他參數(shù)不變時，隨著切深的增大，磨削力和磨削溫度增大。濕磨條件下的切向磨削力和磨削溫度顯著降低，且濕磨條件下的溫度變化速率高于干磨。

（2）磨削變質(zhì)層厚度隨著切深的增大而增大，溫度是影響變質(zhì)層形成的主要因素。暗層厚度隨著溫度升高而增大，即使在10 μm 的小切深下也能形成暗層。高溫是白層形成的必要條件，磨削溫度超過名義相變溫度后白層厚度出現(xiàn)突增。

（3）白層硬度高于基體，顯微硬度可達900 HV以上，磨削表層硬度隨著切深的增大而增大，最高達到1 057 HV。暗層發(fā)生了軟化，在不同切深下暗層的硬度較為接近，最低硬度達到492 HV。