羅 燕, 劉義翔, 班 君, 劉秀蓮

(1. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心, 哈爾濱 150025;2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院, 哈爾濱 150028;3. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 熱表工部, 哈爾濱 150025)

專題報道

不同處理工藝軸承套圈的近表層硬度及殘余應(yīng)力

羅 燕1, 劉義翔2, 班 君1, 劉秀蓮3

(1. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心, 哈爾濱 150025;2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院, 哈爾濱 150028;3. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 熱表工部, 哈爾濱 150025)

對M50鋼軸承套圈、M50NiL鋼滲碳軸承套圈及M50NiL鋼滲碳+滲氮復(fù)合化學(xué)熱處理軸承套圈的顯微組織、硬度及殘余應(yīng)力進行了測試及分析，并對M50鋼軸承套圈和M50NiL鋼滲碳軸承套圈進行了硬度、應(yīng)力和壽命耐久性試驗。結(jié)果表明：復(fù)合化學(xué)熱處理后，M50NiL鋼軸承套圈的表面及心部硬度比M50NiL鋼滲碳軸承套圈的有所提高，其表面應(yīng)力尤其是次表層應(yīng)力有了極大提高，因此耐磨性和抗疲勞性能也得到極大的改善；M50NiL鋼滲碳軸承套圈的抗疲勞性能及使用壽命比M50鋼軸承套圈的提高了3～5倍。

M50鋼；M50NiL鋼；軸承套圈；硬度；殘余應(yīng)力；壓應(yīng)力層

軸承失效主要起源于表面的破壞以及亞表層的疲勞剝落。當(dāng)有著良好的尺寸匹配和潤滑條件時，軸承能夠有效地避免起源于表層的破壞，此時由于亞表層的應(yīng)力集中會導(dǎo)致裂紋的萌發(fā)，并進而擴展到表層形成剝落，成為軸承的主要失效形式，縮短了軸承的使用壽命[1]。

根據(jù)疲勞機理中的最大切應(yīng)力理論，球軸承在承載運轉(zhuǎn)時，最容易在軸承零件(軸承的內(nèi)圈、外圈、鋼球)的表面下最大切應(yīng)力深度處產(chǎn)生疲勞源，而后在交變應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋向軸承表面擴展，最終導(dǎo)致剝落使軸承失效。

在正常的運行負荷情況下，無論是球軸承或滾子軸承，其最大的切應(yīng)力點都在表面下0.005～0.5 mm。如何提高該范圍內(nèi)的殘余壓應(yīng)力，特別是軸承零件表面下0.005～0.2 mm 處的殘余壓應(yīng)力，是提高軸承使用壽命和可靠性的關(guān)鍵。

筆者通過對M50鋼軸承套圈、M50NiL鋼滲碳軸承套圈和M50NiL鋼滲碳+滲氮復(fù)合化學(xué)熱處理軸承套圈的顯微組織、硬度及殘余應(yīng)力進行測試和分析，以對比不同處理工藝軸承套圈的性能和壽命，為同行工作者提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

1.1.1 制樣

分別在M50鋼軸承套圈、M50NiL鋼滲碳軸承套圈及M50NiL鋼滲碳+滲氮復(fù)合化學(xué)熱處理套圈截取試樣，試樣寬度約為15 mm，如圖1所示，并將與待檢測溝道相對應(yīng)的背面磨成平面[2-3]。

為保護試樣檢測區(qū)周圍的非檢測部位，需要在待檢測的溝道上粘一透明膠，在其中間制備一個與準(zhǔn)直器φ2 mm外徑相同的圓孔，圓孔為檢測區(qū)，如圖2所示。

圖1 套圈上取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling from the bearing ring

圖2 試樣制備示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sample preparation

1.1.2 電解拋光

為使試樣的處理過程中不產(chǎn)生附加殘余應(yīng)力，采用電解拋光對試樣進行逐層剝層，每剝一層，分別進行拋光深度測量和應(yīng)力測試，電解液選用飽和氯化鈉溶液。

1.1.3 拋光深度的測量

使用G803型軸承測量儀作為檢測臺，使用精度為0.001 mm的千分表對拋光深度進行測量。為使每次測量均為同一位置的拋光深度，應(yīng)對測量的試樣進行定位。

1.2 試驗方法

1.2.1 殘余應(yīng)力測試

殘余應(yīng)力沿層深分布的測試流程如圖3所示。選用芬蘭XSTRESS3000型X射線應(yīng)力分析儀，使用側(cè)傾法沿試樣溝道的周向方向進行應(yīng)力測試。選用鉻靶Kα，電壓為30 kV，電流為6.7 mA，φ2 mm準(zhǔn)直器。M50鋼的楊氏模量為214.5 GPa，泊松比為0.28；M50NiL鋼的楊氏模量為209.6 GPa，泊松比為0.28[4]。

圖3 殘余應(yīng)力沿層深分布的測試流程圖Fig.3 Detection flow diagram for the depth distribution of residual stress

1.2.2 顯微組織觀察及硬度測試

采用Axiovert 200MAT型金相顯微鏡對軸承套圈試樣的顯微組織進行觀察。使用美國TUKON2500型維氏硬度計測試試樣表面硬度，之后切樣、鑲樣，將鑲嵌好的試樣截面先后用砂輪和砂紙打磨并拋光，再用硬度計對處理好的試樣截面進行顯微硬度梯度分布的測試，加載載荷為2.94 N(0.3 kgf)，測試結(jié)果取3次測試平均值。使用Excel電子表格繪出殘余應(yīng)力沿層深分布和硬度沿層深分布曲線的趨勢圖，并對其進行分析。

1.3 疲勞壽命試驗

疲勞壽命的試驗方法為模擬軸承實際工作的工況，如轉(zhuǎn)速、載荷、供油方式、流量和溫度等條件，使軸承在疲勞壽命試驗器上運轉(zhuǎn)，測試軸承疲勞失效所用的時間，也就是軸承的疲勞性能和耐久性考核。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 材料化學(xué)成分

對M50鋼和M50NiL鋼的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，M50NiL鋼是在M50鋼的基礎(chǔ)上，降低碳含量再加入鎳研制成的。降低鋼中的碳含量是提高斷裂韌度的有力措施。加入鎳的作用是提高鋼心部的韌性，增加鋼的強度，可使其具有兩倍于M50鋼的斷裂韌度。因為鎳可阻止基體中鐵素體的形成，保證材料有比較好的熱處理效應(yīng)，從化學(xué)成分上保證了M50NiL鋼的韌性和強度[5-6]。M50NiL鋼在高溫下保持的硬度高于大多數(shù)滲碳鋼的，因而M50NiL鋼成為制造航空渦輪發(fā)動機軸承的新型高溫軸承鋼。

表1 M50鋼和M50NiL鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

2.2 M50鋼軸承套圈

M50鋼軸承套圈的熱處理設(shè)備為真空氣淬爐，工藝流程為:淬火→一次回火→冷處理→二次回火→三次回火。

M50鋼軸承套圈的顯微組織為針狀馬氏體、少量碳化物和少量殘余奧氏體。M50鋼套圈的表面硬度(696 HV，相當(dāng)于60 HRC)與心部硬度(732 HV，相當(dāng)于61.5 HRC)差別不大，套圈溝道的硬度沿層深分布曲線如圖4所示。M50鋼軸承套圈的表面應(yīng)力比較大，為-709.3，-758.3 MPa(負號代表壓應(yīng)力)，但壓應(yīng)力層只有幾微米到十幾微米就過渡到拉應(yīng)力，套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深分布曲線如圖5所示。

圖4 M50鋼軸承套圈溝道硬度沿層深的分布曲線Fig.4 Depth distribution curves of the hardness of M50 steel bearing rings

圖5 M50鋼軸承套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線Fig.5 Depth distribution curves of the residual stress of M50 steel bearing rings

M50鋼軸承的硬度較高，但斷裂韌度不足，在超高速條件下易斷裂，而發(fā)生這種故障時幾乎沒有前兆。M50鋼在高于發(fā)動機軸承的溫度下雖然可以正常工作，但只能適用于不出現(xiàn)套圈斷裂的速度和有外載荷引起的應(yīng)力情況。

2.3 國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈與進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈

2.3.1 國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈

國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈的熱處理設(shè)備為真空滲碳氣淬爐，工藝流程為：滲碳→高溫回火→淬火→一次回火→一次冷處理→二次回火→二次冷處理→三次回火。

國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈表面的顯微組織為高碳隱晶馬氏體加細小、均勻分布的碳化物，心部顯微組織為低碳板條馬氏體。

國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈的表面硬度為678，677 HV(相當(dāng)于58.5，58.5 HRC)，心部硬度為430，443 HV(相當(dāng)于44.5，45.5 HRC)，滲碳層深度為1.5 mm，套圈溝道的硬度沿層深分布曲線如圖6所示。M50NiL鋼滲碳套圈經(jīng)滲碳淬回火處理可使表面具有較高的硬度和較好的耐磨性，而心部仍保持良好的強度和韌性，從而滿足軸承外硬內(nèi)韌的使用要求。

圖6 國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈溝道硬度沿層深的分布曲線Fig.6 Depth distribution curves of hardness of the domestic carburized M50NiL steel bearing rings

國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳套圈的表面應(yīng)力為-274.3，-324.7 MPa，層間最大壓應(yīng)力為272.1 MPa，壓應(yīng)力層深為0.6 mm左右，成品套圈溝道的殘余應(yīng)力沿層深分布曲線如圖7所示。

圖7 國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線Fig.7 Depth distribution curves of the residual stress of domestic carburized M50NiL steel bearing rings

2.3.2 進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈

進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈表面的顯微組織為高碳隱晶馬氏體加細小、均勻分布的碳化物，心部顯微組織為低碳板條馬氏體。

進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈的表面硬度為729，719 HV(相當(dāng)于60.5，60.0 HRC)，心部硬度為370，387 HV(相當(dāng)于39.5，40.5 HRC)，滲碳層深度為1.5 mm，套圈溝道的硬度沿層深分布曲線如圖8所示。

圖8 進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈溝道硬度沿層深的分布曲線Fig.8 Depth distribution curves of the hardness of imported carburized M50NiL steel bearing rings

圖9 進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線Fig.9 Depth distribution curves of the residual stress of imported carburized M50NiL steel bearing rings

進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈的表面應(yīng)力為-496.0，-473.3 MPa，層間最大壓應(yīng)力為378.5，330.2 MPa，壓應(yīng)力層深約為0.6 mm(成品)，成品套圈溝道的殘余應(yīng)力沿層深分布曲線如圖9所示。

由圖6～9對比來看，國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈的表面硬度、表面應(yīng)力及層間最大壓應(yīng)力與進口M50NiL鋼滲碳套圈的相比還有些差距，但滲碳層深度及壓應(yīng)力層深都很接近。M50NiL鋼滲碳軸承套圈在表面下0.005～0.2 mm處的壓應(yīng)力相比M50鋼套圈得到了很大的提高，壓應(yīng)力層深也比M50鋼套圈的有了很大提高，在近表面處產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力。在高Dn(軸承內(nèi)徑與軸轉(zhuǎn)速的乘積)值條件下，該應(yīng)力區(qū)可消除套圈的周向拉應(yīng)力，延緩接觸疲勞剝落的發(fā)生，從而提高軸承的疲勞壽命。

研究表明，M50NiL鋼的表面硬度高,組織均勻,碳化物分布細小彌散，對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感，這些是高性能滲碳軸承鋼超長壽命的關(guān)鍵。

2.3.3 疲勞壽命

在軸承耐久性試驗方面，某廠生產(chǎn)的M50鋼發(fā)動機主軸軸承的疲勞性能和耐久性考核通過了750 h(協(xié)議要求500 h)的壽命試驗及斷油試驗；而同型號的M50NiL鋼滲碳發(fā)動機主軸軸承的疲勞性能及耐久性考核均達到了協(xié)議的要求，一次性地通過了2 500 h的壽命試驗及斷油試驗。可見M50NiL鋼滲碳軸承的抗疲勞性能及使用壽命比M50鋼軸承的提高了3～5倍。

2.4 M50NiL鋼復(fù)合化學(xué)熱處理軸承套圈

M50NiL鋼復(fù)合化學(xué)熱處理設(shè)備為真空滲碳氣淬爐+真空離子滲氮爐，熱處理工藝流程為:滲碳→滲氮(在滲碳的基礎(chǔ)上再進行500 ℃以下滲氮)。

經(jīng)復(fù)合化學(xué)熱處理后的M50NiL鋼軸承套圈，表面顯微組織為高碳細小結(jié)晶馬氏體及均勻分布的殘留碳化物，心部顯微組織為低碳板條馬氏體和少量鐵素體。

復(fù)合化學(xué)熱處理后的M50NiL鋼軸承套圈，表面硬度為1 083，1 047 HV(已超出最高洛氏換算硬度)，心部硬度為633，660 HV(56.5，58.0 HRC)，滲碳層深度為1.5 mm，套圈溝道的硬度沿層深分布曲線如圖10所示。經(jīng)復(fù)合化學(xué)熱處理后的M50NiL鋼軸承套圈，表面及心部硬度都比滲碳鋼的有所提高，表面耐磨性及心部韌性也有了進一步的提高，斷裂性能與滲碳鋼的相比也有優(yōu)勢。

復(fù)合化學(xué)熱處理后的M50NiL鋼軸承套圈，表面應(yīng)力為-560.8，-684.9 MPa，最大壓應(yīng)力為-867.1，-862.8 MPa，分別在深度為126 μm 和115 μm處，壓應(yīng)力層深300 μm以上，該套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線如圖11所示。其表面應(yīng)力及層間最大壓應(yīng)力比M50NiL鋼滲碳軸承套圈的都有了很大的提高。

圖10 M50NiL鋼復(fù)合化學(xué)熱處理軸承套圈溝道硬度沿層深的分布曲線Fig.10 Depth distribution curves of the hardness of M50NiL steel compound chemical heat treated bearing rings

圖11 M50NiL鋼復(fù)合化學(xué)熱處理軸承套圈溝道殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線Fig.11 Depth distribution curves of the residual stress of M50NiL steel compound chemical heat treated bearing rings

由圖10～11可知，M50NiL鋼復(fù)合化學(xué)熱處理套圈的表面硬度、壓應(yīng)力及層間最大壓應(yīng)力相比滲碳套圈的大幅度提高，耐磨性和抗疲勞性能更加優(yōu)異。

滲碳后套圈的滲碳層組織往往由于高溫而變得粗大，其力學(xué)性能、耐蝕性等的提高受到限制。復(fù)合化學(xué)熱處理是在滲碳的基礎(chǔ)上再進行滲氮處理，滲氮過程中，氮與合金元素形成氮化物及碳氮化合物溶于ɑ-Fe中，引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，形成殘余壓應(yīng)力。材料表面形成具有平緩過渡的硬化層，表層硬度提高，同時心部保持良好的強度和韌性，表面應(yīng)力尤其是次表層應(yīng)力有了極大的提高，耐磨性和抗疲勞性能得到極大的改善，極大地延長了軸承的服役壽命[7]。

3 結(jié)論

(1) M50鋼軸承套圈的硬度較高，但斷裂韌度不足，在超高速條件下易斷裂。

(2) 與進口M50NiL鋼滲碳軸承套圈相比，國產(chǎn)M50NiL鋼滲碳軸承套圈的表面硬度、表面應(yīng)力及層間最大應(yīng)力有些差距，但滲層深度及壓應(yīng)力層深比較接近。M50NiL鋼滲碳軸承套圈的抗疲勞性能及使用壽命比M50鋼軸承的提高了3～5倍。

(3) 滲碳+滲氮復(fù)合化學(xué)熱處理后，M50NiL鋼軸承套圈的表面及心部硬度相比滲碳后的都有所提高，表面的耐磨性及心部的韌性也都有了進一步的提高，斷裂性能也比M50NiL鋼滲碳軸承套圈的有優(yōu)勢，表面應(yīng)力尤其是次表層應(yīng)力有了極大的提高，耐磨性和抗疲勞性能得到極大的改善，從而提高了軸承的使用壽命。

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Hardness and Residual Stress of Near Surface of Bearing Rings with Different Treatment Processes

LUO Yan1, LIU Yixiang2, BAN Jun1, LIU Xiulian3

(1. Bearing R&D Center, AECC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China;2. The Light Industry Institute of Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China;3. Heat & Surface Treatment Section, AECC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China)

The microstructure, hardness and residual stress of M50 steel bearing rings, carburized M50NiL steel bearing rings and M50NiL steel bearing rings after compound chemical heat treatment of carburization and nitridation were tested and analyzed. The hardness tests, stress tests and life durability tests were carried out on M50 steel bearing rings and carburized M50NiL steel bearing rings. The results show that: after compound chemical heat treatment, the hardness of surface and core of M50NiL steel bearing rings was improved compared with that of carburized M50NiL steel bearing rings, and the surface stress especially the subsurface stress was greatly improved, as a result, the abrasion resistance and fatigue properties were also greatly improved; the fatigue resistance and service life of carburized M50NiL steel bearing rings were enhanced by 3 to 5 times compared with those of M50 steel bearing rings.

M50 steel; M50NiL steel; bearing ring; hardness; residual stress; compressive stress layer

10.11973/lhjy-wl201707005

2016-06-13

羅 燕(1965-)，女，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事殘余應(yīng)力和殘余奧氏體檢測工作，luoyan2286@126.com

TH133.3

A

1001-4012(2017)07-0477-05