高心寰，潘金芝,b，陳春煥,b，程志,b，任瑞銘,b

GCr15SiMn軸承鋼超聲滾壓表層組織及性能分析

高心寰a，潘金芝a,b，陳春煥a,b，程志a,b，任瑞銘a,b

（大連交通大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.遼寧省軌道交通關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028）

通過不同超聲滾壓加工工藝對(duì)GCr15SiMn軸承鋼磨削態(tài)試樣進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，并研究超聲滾壓加工工藝對(duì)表層組織及性能的影響。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣表面、截面組織進(jìn)行觀察，并用粗糙度儀和硬度儀對(duì)表面粗糙度、顯微硬度進(jìn)行表征。對(duì)不同電流、靜壓力參數(shù)下超聲滾壓加工試樣表面、截面組織和性能的差異進(jìn)行了分析。根據(jù)機(jī)加工細(xì)晶層及微裂紋可將原始試樣分為3類：第1類為無裂紋機(jī)加工細(xì)晶層；第2類為有裂紋機(jī)加工細(xì)晶層；第3類為無機(jī)加工細(xì)晶層。超聲滾壓加工后，3類表層均被預(yù)置塑性變形層，但塑性變形層厚度有明顯差別，第3類原始試樣形成的塑性變形層最厚，約為2 μm；試樣表面磨削犁溝變淺，粗糙度顯著改善，較原始粗糙度值降低了67%，表層磨削微裂紋擴(kuò)展，部分表層機(jī)加工細(xì)晶剝落，表面微裂紋尖端角度減小，表面缺陷減少；表面硬度分布均勻性得到改善并預(yù)置表面硬化層，較原始表面硬度提升2%。隨電流的增加，粗糙度降低，塑性變形層的厚度和連續(xù)性提高，硬化層的硬度及厚度基本不變。隨靜壓力的增加，硬化層的硬度及厚度增加，塑性變形層的厚度和連續(xù)性提高，粗糙度基本不變。

GCr15SiMn軸承鋼；超聲滾壓；機(jī)加工細(xì)晶；表層組織；表面性能

磨削加工作為一種機(jī)械加工工序，是加工軸承座圈表面的最后一道工序，但磨削時(shí)由于磨削熱及磨削力的作用，會(huì)使工件表面組織發(fā)生變化，形成表面機(jī)加工變質(zhì)層，即磨削白層。研究表明，磨削白層具有脆性高、硬度高以及塑性變形嚴(yán)重的特征[1-4]，磨削白層內(nèi)容易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降、抗疲勞性能和疲勞壽命降低[5-6]。

表面強(qiáng)化加工技術(shù)作為表面改性的主要方法之一，利用物理、化學(xué)等手段使材料表面組織、性能發(fā)生改變，使材料達(dá)到理想的表層強(qiáng)化效果，從而延緩機(jī)械構(gòu)件疲勞失效，提高疲勞壽命[7-11]。表面超聲滾壓處理作為一種表面強(qiáng)化加工技術(shù)，可通過靜載荷與超聲振動(dòng)耦合加載對(duì)工件表層進(jìn)行強(qiáng)化，顯著降低表面粗糙度，誘導(dǎo)表層晶粒納米化并預(yù)置殘余壓應(yīng)力，從而提高表面加工質(zhì)量、疲勞性能以及疲勞壽命[12-15]。

王婷等人[16-17]對(duì)經(jīng)超聲滾壓處理后的40Cr試樣表面顯微組織及性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，超聲滾壓后表面產(chǎn)生了晶粒尺寸為3～7 nm的納米層及200 μm的流變組織，表層材料力學(xué)性能得到改善，抗磨損性能及使用壽命得到提高。劉宇等人[18]研究了超聲滾壓加工后的40Cr表層力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓使表層彈性模量、硬度均有顯著提高，并獲得表層殘余壓應(yīng)力，表面質(zhì)量得到了有效改善。劉森忠[19]對(duì)GCr15材料表面進(jìn)行了超聲滾壓處理，發(fā)現(xiàn)與精車后試樣相比，超聲滾壓處理試樣表層晶粒明顯細(xì)化，摩擦磨損、疲勞裂紋擴(kuò)展等力學(xué)性能均有顯著提高。馬夢(mèng)陽[20]對(duì)超聲滾壓強(qiáng)化凸輪材料C53和挺柱材料GCr15進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，超聲滾壓使2種材料表面的顯微硬度、殘余壓應(yīng)力、耐磨損性能以及抗接觸疲勞性能均有提高。蔡振[21]研究了表面超聲滾壓對(duì)Ti-6Al-4V合金多尺度疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，結(jié)果表明，超聲滾壓處理后表面形成梯度納米層，同時(shí)改變裂紋擴(kuò)展路徑，降低裂紋擴(kuò)展速率，疲勞壽命變?yōu)樵級(jí)勖?.26倍。綜合上述結(jié)果，超聲滾壓處理不同的軸承鋼材料均能夠改善表面質(zhì)量，進(jìn)而提高疲勞性能和疲勞壽命，但缺乏對(duì)超聲滾壓加工工藝的研究，本文對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

本文采用超聲滾壓加工對(duì)GCr15SiMn軸承鋼試樣進(jìn)行處理，分析3類不同磨削態(tài)原始試樣超聲滾壓后表層組織、性能的改善及表層材料的強(qiáng)化機(jī)制，對(duì)比分析了不同超聲滾壓加工工藝參數(shù)對(duì)材料表面形貌、表層組織以及表層力學(xué)性能的影響，為尋找提高GCr15SiMn軸承抗接觸疲勞性能的超聲滾壓最優(yōu)工藝提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用的材料為高碳、高鉻的GCr15SiMn軸承鋼，試樣原始組織如圖1所示，其微觀組織為片狀回火馬氏體、粒狀碳化物和少量殘余奧氏體。試驗(yàn)采用GCr15SiMn軸承座圈，其內(nèi)圈直徑為42 mm，外圈直徑為60 mm，厚度為10 mm。超聲滾壓加工面為座圈端面，試樣尺寸及加工面如圖2所示。

試驗(yàn)采用H+CK6150豪克能數(shù)控車床對(duì)試樣進(jìn)行單面超聲滾壓加工，6種工藝參數(shù)及試樣編號(hào)如表1所示。使用Zeiss SUPRA 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)超聲滾壓加工前后的GCr15SiMn軸承鋼試樣表層組織進(jìn)行觀察。使用JD520表面粗糙度儀對(duì)超聲滾壓前后的試樣進(jìn)行粗糙度測(cè)試，測(cè)量長(zhǎng)度為2.5 mm。使用SonoDur SONO-1M超聲波硬度儀、FM-700型硬度儀，對(duì)超聲滾壓前后的試樣表層進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)試載荷為50 g，保荷時(shí)間為15 s。

圖1 GCr15SiMn軸承鋼的原始組織

圖2 GCr15SiMn軸承座圈

表1 超聲滾壓加工工藝參數(shù)及試樣編號(hào)

Tab.1 Ultrasonic rolling process parameters and specimen’s number

2 結(jié)果及討論

2.1 表面形貌

原始試樣表面為磨削加工后形貌，如圖3a所示。磨削表面存在深淺不一的機(jī)加工犁溝（紋理），高倍下觀察發(fā)現(xiàn)犁溝兩側(cè)具有細(xì)小的磨削裂紋及輕微涂覆現(xiàn)象，原始試樣表面粗糙度值約為0.2 μm。通過觀察不同超聲滾壓加工工藝下試樣的表面形貌，發(fā)現(xiàn)加工后試樣表面形貌差別不大。此外，通過對(duì)比各個(gè)超聲滾壓加工工藝下的表面形貌，觀察宏觀表面形貌很難得到不同電流、靜壓力的影響。因此，選取1#試樣與原始試樣進(jìn)行對(duì)比，觀察超聲滾壓加工前后表面形貌的變化。圖3b為1#試樣表面形貌，經(jīng)超聲滾壓加工后，試樣表面磨削犁溝深度變淺，磨削微裂紋的數(shù)量大幅減少，涂覆現(xiàn)象減弱，表面整體平整度提高。經(jīng)測(cè)量，表面粗糙度最低降至0.07 μm。

圖3 試樣表面形貌

2.2 表面組織

進(jìn)一步對(duì)原始試樣和超聲滾壓加工后試樣表面組織進(jìn)行分析。如圖4a所示，原始試樣表面組織磨削犁溝明顯，犁溝兩側(cè)存在磨削裂紋。根據(jù)形貌不同，可將表面組織分為細(xì)晶組織及基體組織。細(xì)晶區(qū)分布較為分散，面積大小不一，其組織多出現(xiàn)在磨削犁溝兩側(cè)。6種超聲滾壓加工后，試樣表面細(xì)晶組織及其分布區(qū)域的變化情況基本一致。因此，以超聲滾壓加工1#試樣為例與原始試樣表面組織對(duì)比分析，如圖4b所示。超聲滾壓加工后，試樣表面組織仍分為細(xì)晶組織和基體組織兩部分，磨削犁溝深度變淺，磨削裂紋數(shù)量減小，試樣表面平整度大幅提高，與表面形貌觀察、粗糙度測(cè)量結(jié)果一致。

2.3 截面組織

觀察試樣截面組織形貌，發(fā)現(xiàn)原始試樣表層組織經(jīng)最終磨削加工后，會(huì)出現(xiàn)晶粒尺寸遠(yuǎn)小于基體組織的細(xì)晶層。而根據(jù)細(xì)晶層組織特點(diǎn)可以將原始試樣分為3類：無裂紋機(jī)加工細(xì)晶層、有微裂紋機(jī)加工細(xì)晶層、無機(jī)加工細(xì)晶層。3類原始試樣的截面組織如圖5a1—a3所示，相對(duì)應(yīng)的超聲滾壓加工后截面顯微組織如圖5b1—b3所示。

圖4 試樣表面組織

圖5 試樣截面組織

圖5a1為第1類原始試樣典型表層截面組織，表面無裂紋機(jī)加工細(xì)晶層，厚度較厚，約為1 μm，次表面存在小于0.5 μm厚的塑性變形層，塑性變形層連接表面細(xì)晶組織和基體?？梢钥闯?，第1類原始試樣表層組織均勻性很差。圖5b1為原始第1類試樣超聲滾壓加工后的截面組織，表面細(xì)晶層沒有明顯變化，而次表面塑性變形層厚度增大，約為1.5 μm，即表面細(xì)晶組織和基體間的過渡部分加厚，表層組織均勻性提高。

圖5a2為第2類原始試樣表層截面組織，表面機(jī)加工細(xì)晶層厚度約為1 μm，但細(xì)晶層不完整，存在磨削微裂紋，表面與基體之間仍存在厚度小于0.5 μm的塑性變形層。與第1類原始試樣組織相似，第2類原始試樣表層組織均勻性仍然較差。表層磨削微裂紋存在于距表面約1 μm深處，位于細(xì)晶層內(nèi)部或細(xì)晶層與塑性變形層銜接交界部位，裂紋尖端與機(jī)加工接觸面平行。圖5b2為第2類原始試樣超聲滾壓加工后截面組織，表層磨削微裂紋擴(kuò)展，部分表面細(xì)晶組織剝落，剝落處表面組織為塑性變形組織。次表面塑性變形層的厚度增大，約為1 μm，表層組織均勻性提高。

圖5a3為第3類原始試樣表層截面組織，表面無機(jī)加工細(xì)晶層且無裂紋，次表面無塑性變形層，表面至基體內(nèi)的晶粒尺寸一致。相較于前2類原始試樣表層組織，第3類原始試樣表層組織的均勻性較好。圖5b3為第3類原始試樣超聲滾壓加工后的截面組織，表面出現(xiàn)了明顯的塑性變形層，厚度約為2 μm。通過對(duì)不同試樣塑性變形層的厚度增量進(jìn)行比較，超聲滾壓加工工藝對(duì)表面無機(jī)加工細(xì)晶層試樣表面塑性變形層的產(chǎn)生效果最為顯著。

結(jié)果表明，表面機(jī)加工細(xì)晶層越薄，超聲滾壓加工預(yù)置表面塑性變形層越容易。分析認(rèn)為，這主要是由于表層機(jī)加工細(xì)晶具有細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，細(xì)晶組織的強(qiáng)度、硬度較高，變形十分困難，從而阻礙次表面組織塑性變形。因此，在細(xì)晶層薄的地方，超聲滾壓加工預(yù)置表面塑性變形層的效果顯著。

2.4 表面粗糙度

通過對(duì)試樣表面粗糙度測(cè)量可得，超聲滾壓加工后，試樣表面粗糙度降低到0.07～0.13 μm，較原始試樣平均降低了0.11 μm。而通過對(duì)不同超聲滾壓加工工藝后，試樣表面粗糙度的變化分析可以發(fā)現(xiàn)，不同電流、靜壓力下，表面粗糙度的改善效果并不相同。如圖6所示，3#試樣表面粗糙度的改善效果最佳，粗糙度值從0.14 μm降低到0.07 μm，降低了67%。研究不同參數(shù)對(duì)粗糙度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流較大（1.5 A）時(shí)，3組試樣表面粗糙度減少率的平均值為66%；當(dāng)電流較?。? A）時(shí)，3組試樣表面粗糙度減少率的平均值僅為50%。不難看出，較大電流下超聲滾壓加工處理對(duì)表面粗糙度的改善作用更加顯著。這主要是由于電流較大時(shí)，加工過程中工具頭超聲振動(dòng)的振幅和頻率隨之增加，試樣表面受到更大的變動(dòng)載荷，試樣表面粗糙度的改善效果更明顯。但當(dāng)電流固定為1.5 A，靜壓力為200、250、300 kg時(shí)，試樣表面粗糙度降低率的變化很小，分別為64%、64%、67%，當(dāng)電流為1 A時(shí)亦然。可以發(fā)現(xiàn)，靜壓力自200 kg至300 kg變化對(duì)加工后試樣表面粗糙度的影響很小，在當(dāng)前參數(shù)條件下，電流對(duì)表面粗糙度的變化起主導(dǎo)作用。

圖6 超聲滾壓加工前后試樣的表面粗糙度

2.5 表面硬度及表層硬度

對(duì)超聲滾壓加工前后的試樣進(jìn)行洛氏表面硬度測(cè)量，結(jié)果如圖7a所示。原始試樣表面硬度值為61.4～62.9HRC，同個(gè)試樣多次測(cè)量，得出表面硬度值的分散度較大，差值在1HRC左右。分析認(rèn)為，這主要是由于細(xì)晶區(qū)的存在，使得表面組織不均勻，磨削細(xì)精與原始組織硬度差別較大，從而導(dǎo)致不同區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)的分散度較大。經(jīng)不同超聲滾壓工藝加工后，試樣表面硬度平均值提升至62.7～63.3HRC，且每個(gè)試樣表面硬度值分散度減小，差值在0.5HRC左右。超聲滾壓加工工藝參數(shù)靜壓力不變，電流由1 A提升至1.5 A時(shí)，加工后試樣表面硬度僅有小幅變動(dòng)。而電流不變，靜壓力降低（300、250、200 kg）時(shí)，加工后試樣表面硬度降低，其表面硬度增長(zhǎng)率分別為2%、1.7%、0.9%。

圖7 超聲滾壓加工前后試樣的硬度

對(duì)超聲滾壓加工前后試樣距表層500 μm深度進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，結(jié)果如圖7b所示。原始試樣表層500 μm深度內(nèi)顯微硬度保持穩(wěn)定，平均值為755HV。超聲滾壓加工后，試樣心部硬度與原始試樣硬度一致，從距表面約200 μm處開始，隨深度的減小硬度值升高，并在次表面約20 μm處達(dá)到最大，然后隨深度的減小硬度值下降。結(jié)果表明，超聲滾壓加工后表層硬度顯著提高，形成表面硬化層。6種工藝條件下，表面硬化層厚度均約為200 μm，硬度最大值存在于試樣次表面而并非試樣表面，該發(fā)現(xiàn)同樣見報(bào)于其他相似超聲滾壓加工文獻(xiàn)[21-22]。分析認(rèn)為，這主要是由于表面區(qū)域晶粒間的約束力和致密性小于次表面，在滾壓加工后會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性回復(fù)、殘余應(yīng)力釋放，導(dǎo)致硬度值降低。而次表面由于仍受到表面區(qū)域及內(nèi)側(cè)區(qū)域晶粒的約束，超聲滾壓預(yù)置的殘余壓應(yīng)力仍難以得到釋放，因此硬度值較高[23]。觀察各工藝參數(shù)下硬度分布曲線可以看出，電流、靜壓力對(duì)表面硬化層硬度及厚度的影響程度不同。當(dāng)電流不變、靜壓力降低時(shí)，加工后試樣表面硬化層的硬度及厚度減?。划?dāng)靜壓力不變，電流由1 A增加至1.5 A時(shí)，加工后試樣表面硬化層的硬度及厚度變化不明顯。

2.6 工藝參數(shù)對(duì)塑性變形的影響

觀察超聲滾壓加工后試樣表層塑性變形，可發(fā)現(xiàn)在細(xì)晶層薄的地方，超聲滾壓加工預(yù)置表面塑性變形層的效果顯著。超聲滾壓加工在材料表層預(yù)置塑性變形層，塑性變形的組織能使表層材料得到明顯改善[16-19]，因此第3類（無機(jī)加工細(xì)晶層）原始試樣經(jīng)超聲滾壓加工后表層材料的改善效果最佳。選擇此類原始試樣截面組織，觀察對(duì)比不同超聲滾壓加工工藝對(duì)組織的影響，截面組織如圖8所示。選取原始及1#、4#、6#3種工藝試樣的截面組織進(jìn)行觀察，1#、4#、6#試樣分別代表大電流大壓力、小電流大壓力、小電流小壓力3種情況，將每組試樣中變形量最大、變形層最深的位置進(jìn)行比較。結(jié)果表明，原始試樣次表面截面組織為均勻分布的馬氏體及碳化物，次表面直至基體均未出現(xiàn)馬氏體和碳化物的塑性變形組織。3種工藝超聲滾壓加工后，試樣次表面均存在馬氏體塑性變形。大電流大壓力的1#試樣次表面塑性變形層的厚度大而且連續(xù)，厚約2 μm，塑性變形層的連續(xù)性很好；小電流大壓力的4#試樣次表面塑性變形層的厚度減小，約1.5 μm，塑性變形層的連續(xù)性很好；小電流小壓力的6#試樣次表面塑性變形層的厚度最小，約1 μm，塑性變形層的連續(xù)性變差，僅10 μm。

圖8 超聲滾壓加工前后次表面塑性變形層

3 分析與討論

原始試樣表層組織由于磨削加工的影響，表層存在機(jī)加工細(xì)晶層，而且機(jī)加工細(xì)晶層內(nèi)還存在磨削微裂紋，導(dǎo)致超聲滾壓加工后試樣表層的變化不同，截面組織模型如圖9所示。分析認(rèn)為，試樣表層的細(xì)晶組織是由于磨削加工時(shí)試樣表面受到磨削熱和磨削力的作用，試樣表層微觀結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生改變，從而產(chǎn)生表層細(xì)晶組織，但磨削熱和磨削力在各處的作用時(shí)間和作用力都不同，導(dǎo)致細(xì)晶層厚度的差異[23-25]。試樣表面的磨削微裂紋是由于磨粒切削刃滑擦、耕犁及切削導(dǎo)致的，因此磨削微裂紋多數(shù)出現(xiàn)在犁溝兩側(cè)，而且存在于機(jī)加工細(xì)晶層內(nèi)。

現(xiàn)將原始試樣分為3類：無裂紋機(jī)加工細(xì)晶層、有微裂紋機(jī)加工細(xì)晶層、無加工細(xì)晶層。超聲滾壓加工后，首先，由于超聲滾壓加工的“削峰添谷”作用，超聲滾壓加工時(shí)變幅桿等裝置將高頻超聲振動(dòng)與強(qiáng)靜載耦合通過工具頭施加在試樣表面，使表層金屬經(jīng)歷塑性流動(dòng)，表面犁溝被填充，試樣表面犁溝變淺，表面粗糙度減小；其次，磨削微裂紋擴(kuò)展，同時(shí)當(dāng)多條裂紋匯聚時(shí)，表層細(xì)晶剝落，如圖9中①、③裂紋擴(kuò)展會(huì)聚形成⑤剝落坑，使表層磨削微裂紋數(shù)量減少。分析認(rèn)為，這主要是由于超聲滾壓加工對(duì)試樣表面施加載荷的同時(shí)做定向運(yùn)動(dòng)，次表面存在剪切應(yīng)力使微裂紋沿細(xì)晶層邊界或細(xì)晶內(nèi)擴(kuò)展導(dǎo)致的。此外，經(jīng)過超聲滾壓加工磨削微裂紋的尖端角度減小，①裂紋尖端角度減小變成④裂紋，如圖9—10所示。這是由于超聲滾壓加工對(duì)試樣表面施加的強(qiáng)靜載，試樣表面受到很大的壓力，裂紋尖端內(nèi)間隙減小。裂紋主要受潤(rùn)滑油等第3介質(zhì)的影響，如圖11所示，在軸承工作時(shí)工件表面形成油膜，如果磨削微裂紋尖端角度過大，表面微裂紋內(nèi)進(jìn)入潤(rùn)滑油，在微裂紋尖端形成油楔，裂紋兩內(nèi)壁承受很大的應(yīng)力，表面微裂紋逐步擴(kuò)展，最終擴(kuò)展成為疲勞裂紋。超聲滾壓加工導(dǎo)致試樣表面裂紋尖端角度減小，潤(rùn)滑油不易進(jìn)入，油楔不易形成，表面微裂紋擴(kuò)展速率減慢。同時(shí)，超聲滾壓加工試樣次表面塑性變形層，由于超聲滾壓加工時(shí)，高頻振動(dòng)工具頭對(duì)表面連續(xù)沖擊的同時(shí)施加載荷定向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致試樣表面晶粒發(fā)生變形，同時(shí)變形的晶粒從試樣表面不斷深入，表層晶粒向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終具有方向性的晶粒堆疊，形成可觀察到的塑性變形層。經(jīng)測(cè)量，超聲滾壓加工試樣表層硬度的提高，是由于超聲滾壓加工使表層組織發(fā)生塑性變形，塑性變形導(dǎo)致組織中的位錯(cuò)密度及其他晶體缺陷急劇增加，位錯(cuò)間交互作用增強(qiáng)，位錯(cuò)糾纏、堆積，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，從而引起表層組織塑性變形抗力提高，即表層硬度提高[23]。

研究表明，對(duì)于材料自身，材料表面粗糙度過大、表層硬度差異大及磨削微裂紋的存在均是影響滾動(dòng)接觸疲勞壽命的主要因素[25-27]。超聲滾壓加工使表層材料進(jìn)行塑性流動(dòng)，同時(shí)形成表層塑性變形層，從降低表面粗糙度、提升表層硬度、減少表面磨削微裂紋等方面，對(duì)軸承試樣表面進(jìn)行了改善，在提高材料滾動(dòng)接觸疲勞壽命方面表現(xiàn)出了極大的潛力。

圖9 截面組織模型

圖10 超聲滾壓加工前后表層磨削微裂紋

圖11 潤(rùn)滑油對(duì)裂紋的影響

Fig 11 effect of lubricating oil oncrack

4 結(jié)論

1）根據(jù)機(jī)加工細(xì)晶層及微裂紋將原始試樣分為3類：第1類無裂紋機(jī)加工細(xì)晶層；第2類有微裂紋機(jī)加工細(xì)晶層；第3類無機(jī)加工細(xì)晶層。經(jīng)過超聲滾壓加工后，3類原始表層均被預(yù)置塑性變形層，但塑性變形層厚度有差別，第3類原始試樣形成的塑性變形層最厚，約2 μm。隨電流和靜壓力的提高，塑性變形層的厚度和連續(xù)性提高；

2）超聲滾壓加工后，試樣表面磨削犁溝變淺，粗糙度顯著改善，表層磨削微裂紋擴(kuò)展，部分表層機(jī)加工細(xì)晶剝落，表面微裂紋尖端角度減小，表面缺陷減少。電流是影響表面粗糙度的主要因素，隨電流的增加，粗糙度降低，而靜壓力增加，粗糙度基本不變，粗糙度值改善最佳為從0.14 μm降低到0.07 μm，降低了67%；

3）超聲滾壓加工后，表面硬度分布均勻性得到改善并預(yù)置表面硬化層。表面硬度最高為63HRC，較原始表面提高2%。靜壓力為影響表面硬化層的主導(dǎo)因素，隨著靜壓力的增加，硬化層的硬度及厚度增加，而電流增加，硬化層的硬度及厚度基本不變。同一試樣表面硬化層的硬度峰值位于次表面。

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Analysis of Surface Microstructures and Properties of GCr15SiMn Bearing Steel Processed by Ultrasonic Rolling Technology

a,a,b,a,b,a,b,a,b

(a. School of Material Science and Engineering, b. Key Laboratory of Key Material of Rail Transit in Liaoning Province, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

This paper aims to strengthen the surface of GCr15SiMn bearing steel with a grinding state by different ultrasonic rolling processes, and studies the influence of ultrasonic rolling process on microstructures and properties of the surface. The main methods used that specimen surface and microstructure of cross-section were observed by scanning electron microscope (SEM), and the surface roughness and microhardness were respectively characterized by roughness and Vickers hardness meters; The differences in microstructures and properties of the ultrasonic rolling specimens processed by different current and static pressure were analyzed. The results showed that the original specimens could be classified into three categories: fine-grain layer without crack, fine-grain layer with crack and layer without fine-grain, according to the fine-grains layer and microcracks. After ultrasonic rolling processing, the three kinds of surface layers were preset by the plastic deformation layer, but the thickness of the plastic deformation layer was significantly different. The plastic deformation layer formed by the layer without fine-grain was the thickest, which was about 2 μm; The grinding furrow of the specimen’s surface became shallower, and the roughness was significantly improved, 67% lower than original roughness. The grinding microcracks of the specimen’s surface were expanded, and some surface machining fine grains were peeled off. The angle of the surface microcracks tip was smaller, and the surface defects were reduced; The uniformity of surface hardness distribution was improved and the surface hardening layer was preset, 2% higher than original surface hardness. The conclusion of the paper is that with the increase of current, the roughness is decreased, and the thickness and continuity of the plastic deformation layer are increased, and the hardness and thickness of the hardened layer remain basically unchanged; With the increase of static pressure, the hardness and thickness of the hardened layer are increased, and the thickness and continuity of the plastic deformation layer are increased, and the roughness remains basically unchanged.

GCr15SiMn bearing steel; ultrasonic rolling process; machine processing fine-grain; surface microstructures; surface properties

2021-05-27；

2021-08-01

GAO Xin-huan (1997—), Female, Postgraduate, Research focus: nanomaterials and surface engineering.

潘金芝（1979—），女，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榧{米材料與表面工程。

PAN Jin-zhi (1979—), Female, Doctor, Technician, Research focus: nanomaterials and surface engineering.

高心寰, 潘金芝, 陳春煥, 等.GCr15SiMn軸承鋼超聲滾壓表層組織及性能分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 262-270.

v261.2

A

1001-3660(2022)03-0262-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.028

2021-05-27；

2021-08-01

大連市科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2019J11CY016）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB2007802）

Fund：Dalian Science and Technology Fund (2019J11CY016); National Key Research and Development Program (2020YFB2007802)

高心寰（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧{米材料與表面工程。

GAO Xin-huan, PAN Jin-zhi, CHEN Chun-huan, et al. Analysis of Surface Microstructures and Properties of GCr15SiMn Bearing Steel Processed by Ultrasonic Rolling Technology[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 262-270.