鄒 翩，于愛兵，吳其亮，王貴林，李克凡，吳森凱

(寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

[收稿日期] 2022-01-23

[基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金(51875294)；寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2018B10006)資助

[通信作者] 于愛兵(1968-)，教授，主要從事表面工程以及刀具研究，電話：13732198658，E - mail:yuaibing@nbu.edu.cn

0 前 言

GCr15軸承鋼具有良好的淬透性，經(jīng)熱處理后，具有良好的尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕性，可獲得硬度、接觸疲勞強(qiáng)度較高與耐磨性較好的表面，通常用于軸承、齒輪、冷沖模等零件的制造[1，2]。然而，這些部件經(jīng)常受到摩擦和循環(huán)應(yīng)力，從而易被磨損。因此，軸承鋼的磨損性能被廣泛關(guān)注。研究表明，熱處理后的軸承鋼具有較高的硬度，經(jīng)高速硬切削，在其表面會(huì)產(chǎn)生由白層和暗層組成的變質(zhì)層[3]。硬切削白層在高溫和塑性變形條件下產(chǎn)生，存在于切削工件的最表層，白層的組織特征與基體不同，白層會(huì)影響已切削表面的應(yīng)力應(yīng)變分布和摩擦磨損性能[4]，對(duì)于工件成為零件后的表面質(zhì)量以及使用性能產(chǎn)生很大影響。我國對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)保要求越來越高，切削加工技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)高的加工精度和加工效率，還要實(shí)現(xiàn)綠色加工。傳統(tǒng)加工中，冷卻液會(huì)造成環(huán)境污染，廢液也難以回收，因此干切削正逐漸被廣泛應(yīng)用于實(shí)際切削加工中[5,6]。干硬切削逐漸成為軸承鋼的常用加工方法[6-8]，切削過程中不使用切削液，可實(shí)現(xiàn)綠色加工。

目前，一些學(xué)者對(duì)硬切削下軸承鋼表面白層的組織和性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。陳濤等[9]通過對(duì)經(jīng)過熱處理后的GCrl5軸承鋼進(jìn)行硬切削試驗(yàn)和對(duì)其表面白層的測試，發(fā)現(xiàn)加工表面白層的形成過程中發(fā)生了劇烈的晶粒細(xì)化，使白層具有高硬度、耐腐蝕的特性。Mashloosh 等[10]發(fā)現(xiàn)硬切削下白層的產(chǎn)生可提高試件表面硬度，熱穩(wěn)定性更高，并且能夠減小其表面磨粒磨損，使試件的耐磨性更好。但是Guo等[4]發(fā)現(xiàn)白層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，會(huì)進(jìn)一步加劇試件表面裂紋的生成和擴(kuò)展，導(dǎo)致剝落磨損的出現(xiàn)。綜上所述，硬態(tài)切削過程中，高硬度材料工件表面極易形成硬度更高的白層組織，白層有助于提高工件表面的耐腐蝕性和耐磨性，但同時(shí)也容易引起工件表面的剝落失效和疲勞裂紋。高速硬干切削過程中極易產(chǎn)生白層，其會(huì)影響零件的表面質(zhì)量和服役性能，但是白層的產(chǎn)生是無法完全避免的，只能通過優(yōu)化工藝參數(shù)來控制白層的產(chǎn)生，使其對(duì)零件的影響盡量利大于弊，這往往與白層的形成過程、厚度、硬度、摩擦磨損條件等因素有關(guān)。

Tomlinson等[11]發(fā)現(xiàn)，在磨粒磨損過程中，材料表面的白層較薄且存在尖峰時(shí)，尖峰會(huì)被磨掉，摩擦副表面也更易被劃傷；但當(dāng)白層厚度較大時(shí)，材料表面具有很好的抗磨損能力，表面劃傷較小，耐磨性提高。Yang等[12]發(fā)現(xiàn)，在較高的接觸應(yīng)力下，白層對(duì)降低材料的抗磨損能力的貢獻(xiàn)很小；在低應(yīng)力的磨粒磨損中，白層幾乎不對(duì)磨損率產(chǎn)生影響。張凌飛[13]對(duì)表面存在白層的硬切削零件進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，滾滑動(dòng)復(fù)合摩擦條件下和純滑動(dòng)摩擦條件下，零件的摩擦磨損性能完全不同。目前，就白層對(duì)材料表面摩擦性能的影響的研究較少，且存在不同的觀點(diǎn)，因此，需要進(jìn)一步探討硬切削加工表面白層對(duì)工件摩擦性能的影響。本工作選擇GCr15軸承鋼作為試件材料，對(duì)其進(jìn)行硬切削加工，對(duì)比未切削和已切削工件表面的磨損性能，研究了白層對(duì)工件摩擦磨損的影響，為提高軸承鋼的使用壽命提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為直徑φ80 mm，壁厚15 mm的空心圓筒狀GCr15軸承鋼。熱處理過程為：加熱至850 ℃，保溫2 h后，經(jīng)機(jī)油冷卻，進(jìn)行180 ℃回火，保溫4 h，熱處理后軸承鋼的平均硬度達(dá)到58 HRC。屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為1.67 GPa和2.85 GPa。材料經(jīng)熱處理后的微觀組織如圖1所示，由圖1可以觀察到，其主要組成成分為板條狀馬氏體，同時(shí)存在少量的球狀碳化物。

1.2 試驗(yàn)方法

切削實(shí)驗(yàn)在CAK3665型數(shù)控車床上進(jìn)行，切削條件為：切削速度v=250 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r，切削深度ap=0.1 mm，干切削。刀具選用MDJNR2020K1504型機(jī)夾式聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片。每組切削實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，每次切削實(shí)驗(yàn)結(jié)束后更換新的車刀刀片，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。通過硬切削實(shí)驗(yàn)獲得已切削試樣，已切削試樣表面微觀形貌如圖2所示。在空心圓筒狀加工試件的外圓表面采用線切割法截取部分制試樣，用于摩擦磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)前，采用F - 030ST型超聲波清洗機(jī)對(duì)試樣清洗5 min并烘干，選用丙酮溶液作為清洗劑，以試樣的外圓柱面做為摩擦面。

磨損實(shí)驗(yàn)采用HSR - 2M型高速往復(fù)銷盤式摩擦磨損機(jī)。對(duì)摩材料選擇直徑5 mm的GCr15軸承鋼球，其硬度為58 HRC，表面粗糙度為0.15 μm，試樣分別為已切削試樣和未切削試樣，表面粗糙度分別0.58 μm和0.43 μm。磨損示意圖如圖3所示，在5 N的恒定載荷下，以500 r/min的往復(fù)速度進(jìn)行30 min的干摩擦，磨痕長度8 mm，摩擦磨損試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 性能表征

使用線切割機(jī)將已切削試樣和磨損后試樣制成規(guī)范尺寸，并分成2組：1組用于測量已切削試樣表面白層的顯微硬度，1組清洗烘干后用XQ - 2B型鑲嵌機(jī)制備磨損表面和截面試樣。采用VK - X210型激光共聚焦掃描顯微鏡分析磨損表面輪廓，采用SU - 5000型掃描電子顯微鏡觀察試樣截面和磨損表面的形貌。用HXD - 1000型硬度計(jì)測試試樣沿截面深度方向的顯微硬度分布，測試條件為：加載力1.961 N，加載時(shí)間15 s，重復(fù)5次取平均值。磨損量的計(jì)算公式見式(1)[14]：

(1)

其中，V為磨損體積，mm3；h為磨痕深度，mm；b為磨痕寬度，mm；r為對(duì)摩球半徑，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削表面白層

圖4是切削表面截面微觀組織的SEM形貌，已加工表面可觀察到厚度為6 μm的白層。

圖5為2種試樣的顯微硬度沿截面深度的變化曲線。未切削試樣表面的顯微硬度范圍為709～718 HV。由圖5可知，當(dāng)距離表面深度小于30 μm時(shí)，已切削試樣的顯微硬度大于未切削試樣的。圖6為已切削試樣表面白層的XRD譜，奧氏體峰值大約在64°，其強(qiáng)度較低，鐵素體/馬氏體峰值大約在82°，強(qiáng)度較高[9]，結(jié)合圖1中微觀組織的形貌，觀察到已切削試樣表面存在板條狀馬氏體，這證明在試樣表面發(fā)生了晶粒細(xì)化和馬氏體組織轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了白層。已切削最表面的白層硬度遠(yuǎn)高于未切削試樣表面的，這是因?yàn)樵谟睬邢鬟^程中，在已切削試樣的表面會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱和塑性變形，表層區(qū)域的切削熱迅速向被切削試件傳遞，在該區(qū)域產(chǎn)生了比常規(guī)淬火速度快得多的冷卻速度，這樣的環(huán)境條件有利于奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц窦?xì)小的馬氏體，從而使表面白層的硬度提高[15-17]。

2.2 摩擦系數(shù)

圖7為2種試樣的摩擦系數(shù)曲線。由圖7可知，在初期，2種試樣的摩擦系數(shù)均急劇增加，隨后進(jìn)入緩慢增加階段，最終未切削試樣表面的摩擦系數(shù)穩(wěn)定至0.88，已切削試樣表面的摩擦系數(shù)穩(wěn)定至0.52，與未切削試樣相比摩擦系數(shù)降低了40.9%。白層的高硬度和強(qiáng)度降低了已切削試樣表面的黏著磨損和塑性變形[18]，另外，白層有利于降低試樣表面的切應(yīng)力，而剪切強(qiáng)度降低，使得材料表面的性能得到改善，從而降低摩擦系數(shù)[19]，故已切削表面的摩擦系數(shù)小于未切削表面的。

2.3 磨損量

圖8為未切削試樣和已切削試樣的磨損表面三維形貌。在圖8a中，未切削試樣表面磨痕深度為15 μm，磨痕寬度為500 μm，在圖8b中，已切削試樣表面磨痕深度為2 μm，寬度為250 μm。與未切削試樣表面相比，已切削試樣表面的磨損更小，耐磨性更好。

通過計(jì)算得到未切削試樣的磨損量為0.079 mm3，已切削試樣的磨損量為0.005 mm3，與未切削試樣相比，其磨損量降低了93.7%，說明已切削試樣的耐磨性高于未切削試樣。由圖5和圖7可知，已切削試樣表面生成的白層的硬度比未切削試樣表面高，摩擦系數(shù)更低，耐磨性更好，因此，已切削表面呈現(xiàn)出較低的磨損量。

2.4 磨損表面形貌

圖9分別為2種試樣的表面磨損形貌，可觀察到2種試樣表面的劃痕、犁溝，表明存在磨料磨損[20]。如圖9a中箭頭A、B所示，在未切削試樣表面可觀察到局部區(qū)域分布著大小不同的剝落凹坑，且表面存在著短的劃痕。如圖9b中箭頭A、B所示，在已切削試樣表面沿摩擦方向上存在較多的長犁溝，且表面分布著黏著的片狀磨屑，磨損導(dǎo)致的材料表面硬質(zhì)顆粒的剝落會(huì)對(duì)材料表面進(jìn)行犁削，進(jìn)而在試樣的表面產(chǎn)生犁溝[21]。從圖9可觀察到，未切削試樣表面的剝離凹坑明顯多于已切削試樣表面的，這是因?yàn)槲辞邢鞅砻娴挠捕鹊陀诎讓?，?duì)裂紋起始和傳播的抑制作用弱于白層，碎片更容易地壓入未切削試樣的表面，并產(chǎn)生劃痕和剝落坑[18,22]。因此，白層的高硬度可減小試樣的磨損，從而使得已切削試樣的磨損相比于未切削試樣更輕微。

3 結(jié) 論

(1)采用聚晶立方氮化硼刀具對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行硬切削，在GCr15表面會(huì)產(chǎn)生硬度比基體高的白層。

(2)與未切削試樣表面相比，已切削試樣表面的摩擦系數(shù)降低，磨損量減小。

(3)未切削試樣表面的磨損以磨料磨損和剝落磨損為主，已切削試樣表面的磨損以磨粒磨損為主。

(4)硬切削試樣表面白層可提高GCr15軸承鋼的耐磨性，改善其摩擦磨損性能。