安容升，程志,b*，潘金芝,b，陳春煥,b，劉鵬濤,b，任瑞銘,b

GCr15SiMn貝氏體軸承鋼超聲滾壓表層組織與性能

安容升a，程志a,b*，潘金芝a,b，陳春煥a,b，劉鵬濤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）

研究超聲滾壓加工對(duì)貝氏體軸承鋼的影響，并分析超聲滾壓工藝參數(shù)對(duì)貝氏體軸承鋼試樣表層組織及性能的影響規(guī)律，為提升貝氏體軸承表面性能提供理論及試驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)超聲滾壓加工前后試樣對(duì)比分析，確定超聲滾壓處理技術(shù)對(duì)貝氏體軸承鋼組織性能的提升；通過(guò)單因素試驗(yàn)法，研究超聲滾壓工藝試樣組織、性能的影響規(guī)律；通過(guò)表面與截面組織相結(jié)合的方法，分析貝氏體軸承鋼組織的類別特征。根據(jù)試樣表面狀態(tài)可將原始試樣分為3類：細(xì)晶層存在表面微裂紋的截面組織、細(xì)晶層無(wú)裂紋的截面組織及無(wú)細(xì)晶層截面組織。超聲滾壓后，3類截面組織均產(chǎn)生塑性變形層，無(wú)細(xì)晶層截面組織形成的塑性變形層最厚。超聲滾壓處理后，存在于原始試樣表面的機(jī)加工紋理變細(xì)，犁溝變淺；試樣表面粗糙度降幅可達(dá)75%，試樣表面硬度增幅為4%，且試樣表面產(chǎn)生了約90 μm硬化層。相同靜壓力下，隨電流增加，試樣表面粗糙度顯著降低，塑性變形層顯著增加，硬度、硬化層深度增加但增幅較??；相同電流下，隨靜壓力增加，試樣表面硬度、塑性變形層深度、硬化層深度及表面硬度增加，粗糙度變化不大。

GCr15SiMn貝氏體軸承鋼；表面超聲滾壓處理；細(xì)晶層；表面性能；表層組織

在當(dāng)今機(jī)械生產(chǎn)中，軸承由于其支撐設(shè)備各部分旋轉(zhuǎn)，降低運(yùn)行中的摩擦從而保證旋轉(zhuǎn)精度的特點(diǎn)，被稱為“機(jī)械的關(guān)節(jié)”。而軸承的失效決定了機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)甚至是運(yùn)行安全，受到了廣泛關(guān)注。根據(jù)其失效形式的不同，可將軸承的時(shí)效類型分為強(qiáng)度失效、疲勞失效、腐蝕失效、磨損失效等[1-5]。其中滾動(dòng)接觸疲勞有著很高的發(fā)生率[6]，它會(huì)使試樣在往復(fù)的應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)一步出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落，最終完全失效。

研究表明，貝氏體鋼（主要為下貝氏體鋼）在維持較高硬度的同時(shí)，又具有很高的韌性，優(yōu)異的綜合性能使其在抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)[7-10]，在軸承制造行業(yè)引起了廣泛關(guān)注。學(xué)者們研究了納米貝氏體鋼在滾動(dòng)接觸條件下的疲勞行為及失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其滾動(dòng)接觸疲勞壽命比傳統(tǒng)的馬氏體鋼種甚至可以高出1倍[11-12]，微觀狀態(tài)下鐵素體板條之間保留著高碳?xì)堄鄪W氏體薄膜，使得此種組織具有很高的硬度的同時(shí)具有很高的韌性，疲勞性能更加優(yōu)異。然而，其制備過(guò)程較為繁瑣，一個(gè)完整的制備過(guò)程需約60 d甚至更久；且因其等溫轉(zhuǎn)變溫度很低，在長(zhǎng)時(shí)間的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中，碳從貝氏體鐵素體向奧氏體中的擴(kuò)散一旦控制失準(zhǔn)，容易導(dǎo)致室溫下殘余奧氏體的不穩(wěn)定[13]。針對(duì)軸承鋼滾動(dòng)接觸疲勞失效機(jī)制，對(duì)軸承鋼表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，可以在提高材料表面性能的同時(shí)，有效降低成本。超聲滾壓處理技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化方法，操作簡(jiǎn)單，效率高，可以被應(yīng)用于各種材料中，包括硬脆的陶瓷、金剛石材料及各種金屬材料，且其可以在提高材料表面粗糙度的同時(shí)，表面強(qiáng)度的提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)滾壓技術(shù)[14-17]。劉宇等[18]的研究表明，超聲滾壓技術(shù)作為一種新型的滾壓技術(shù)，可以極大程度上地消除材料表面的殘余拉應(yīng)力，并引入殘余壓應(yīng)力，更加有效地提升表面強(qiáng)度。Zhao等[19]發(fā)現(xiàn)鈦合金TC11經(jīng)超聲滾壓處理后其高周疲勞壽命比未處理件提升了近19.3%，且它們的疲勞裂紋源差異顯著，未處理試樣裂紋源均位于表面或亞表面區(qū)，而經(jīng)過(guò)超聲滾壓處理后的試樣裂紋源更靠近試樣中心位置，其原因?yàn)槌暆L壓后TC11表面晶粒得到細(xì)化且表面存在殘余應(yīng)力及硬度層。Ye等[20]對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了超聲滾壓處理，處理后材料在100 μm處產(chǎn)生了高密度的變形孿晶，這些變形孿晶內(nèi)存在大量位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)源，使其硬度及殘余應(yīng)力提高；此外，馬氏體占比沿深度方向呈現(xiàn)出梯度變化的特征，保證了界面強(qiáng)度，從而防止產(chǎn)生頸縮，在維持其高強(qiáng)度的同時(shí)保證了其塑性。超聲滾壓技術(shù)可以有效提升材料表面粗糙度，預(yù)置殘余壓應(yīng)力，在提升材料滾動(dòng)接觸疲勞性能方面表現(xiàn)出極大的潛力。但當(dāng)前對(duì)貝氏體軸承鋼的超聲滾壓處理方面的研究，還未見(jiàn)報(bào)道。

本文選擇GCr15SiMn貝氏體軸承鋼座圈試樣，使用數(shù)控機(jī)床對(duì)其加工，分析試樣組織、性能在加工過(guò)程中的變化，并研究了超聲滾壓工藝對(duì)貝氏體軸承鋼試樣表層組織及性能的改變，為提升貝氏體軸承接觸疲勞壽命給出現(xiàn)實(shí)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用GCr15SiMn貝氏體軸承鋼，圖1為試樣原始組織，其微觀組織為針狀貝氏體、球狀碳化物及微量殘余奧氏體。軸承座圈的厚度與內(nèi)、外圈直徑分別為10、42、60 mm。

首先，對(duì)貝氏體軸承座圈端面進(jìn)行超聲滾壓處理，所采用的華云豪克能H+CK6150型超聲滾壓數(shù)控車床實(shí)物圖及加工原理圖如圖2所示。由于設(shè)備超聲滾壓振動(dòng)頻率為固定的29 kHz，進(jìn)給量對(duì)試樣的影響很小，且主軸轉(zhuǎn)速是定值，故以上參數(shù)在此不作為變量單獨(dú)研究，只對(duì)電流和靜壓力對(duì)試樣組織及性能的影響進(jìn)行研究分析，選取的工藝參數(shù)如表1所示。其中，電流變化主要影響超聲滾壓振幅，振幅范圍大致在5～8 μm。使用ZEISS SUPRA 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)超聲滾壓處理前后試樣表面及截面層組織進(jìn)行觀察。為了更好地利用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，選擇硅溶膠機(jī)械化學(xué)聯(lián)合拋光的方法對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕[21]。利用JD520便攜式粗糙度測(cè)試儀測(cè)量試樣表面，每個(gè)試樣的測(cè)量隨機(jī)選取5個(gè)位置，取其平均值作為最終粗糙度值。由于試樣有效寬度為7 mm，而超聲滾壓加工條帶寬約5 mm，因此，測(cè)量時(shí)在超聲滾壓加工條帶中心處沿徑向方向選取2.5 mm進(jìn)行測(cè)量以保證數(shù)值的有效性。利用SonoDur SONO-1M超聲波硬度儀、FM-700型顯微硬度測(cè)試儀對(duì)試樣表面洛氏硬度及表層硬度梯度進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，顯微硬度試驗(yàn)所加載荷為50 g，保荷時(shí)間為15 s。

圖1 試樣原始組織

圖2 超聲滾壓數(shù)控車床及原理圖

表1 超聲滾壓工藝參數(shù)

Tab.1 Ultrasonic rolling process parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣表面形貌對(duì)比

原始及超聲滾壓加工試樣的表面及三維立體形貌如圖3所示。由于不同超聲滾壓工藝下試樣的表面形貌差異不大，故選取7#試樣與原始試樣進(jìn)行對(duì)比分析。如圖3a所示，原始試樣表面形貌存在粗大、深淺不一的犁溝狀機(jī)加工紋理，表現(xiàn)為高低不平的長(zhǎng)條狀的凸峰和凹谷。條帶狀峰與谷的高度差決定了試樣的表面光潔度，因此，原始試樣表面粗糙度較大，為0.151 μm。圖3b為超聲滾壓處理后試樣表面形貌，試樣經(jīng)加工后更加平整，表面條紋更加細(xì)小，犁溝更淺，磨削條紋間的距離減小，試樣光潔度顯著提高，粗糙度值降低為0.037 μm。圖3c～d為超聲滾壓處理前后試樣表面萊卡三維立體形貌，處理前試樣表面凹凸不平，表面粗糙度整體偏高，經(jīng)超聲滾壓處理后，表面變得平整光滑，且表面粗糙度大幅降低。

2.2 試樣表面組織對(duì)比

未處理及處理后試樣表面組織的掃描電鏡照片如圖4所示，由于不同工藝下超聲滾壓處理后試樣表面組織分布規(guī)律較為相似，因此選擇7#試樣與未經(jīng)處理的原始試樣表面比較。從圖4a可以看到，未經(jīng)超聲滾壓處理的試樣磨削犁溝周圍可以清晰觀察到區(qū)別于原始基體組織的細(xì)晶組織，且犁溝深處存在細(xì)小的微裂紋，主要是由于軸承座圈在最終的磨削加工中造成的。試樣經(jīng)超聲滾壓后，表面組織排布規(guī)律與原始試樣相同，同樣可分為基體組織及細(xì)晶組織，但表面犁溝明顯變細(xì)、變淺，且表面裂紋數(shù)量大幅下降，更加平坦。這是因?yàn)樵嚇硬牧显诮?jīng)超聲滾壓加工后，會(huì)出現(xiàn)少量的彈性回復(fù)和一定量的塑性形變，這種形變帶來(lái)的流動(dòng)效應(yīng)可以減少材料表面的高低差，大大降低了表面粗糙度，從而提升材料表面性能[22]。

圖3 試樣表面形貌及三維立體形貌：a、c）原始試樣；b、d）超聲滾壓處理后試樣

圖4 超聲滾壓處理前后表面組織

2.3 試樣表層截面組織

觀察試樣的微觀組織，可以總結(jié)整理出3種不同特征的組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)表面有無(wú)細(xì)晶層及是否有表面裂紋可將其分為以下3類：細(xì)晶層存在表面微裂紋的截面組織、細(xì)晶層無(wú)裂紋的截面組織和無(wú)細(xì)晶層截面組織。3類原始和其各自經(jīng)超聲滾壓處理后對(duì)應(yīng)的截面組織如圖5所示。

圖5a1對(duì)應(yīng)的是表面細(xì)晶層無(wú)裂紋的原始截面組織，細(xì)晶層沿深度方向分布不均勻，平均厚度約2 μm。圖5b1為對(duì)應(yīng)的超聲滾壓處理后截面組織，可以看到，經(jīng)超聲滾壓處理后在試樣截面次表面存在塑性變形層，產(chǎn)生的塑性變形層厚度與表面細(xì)晶層厚度有關(guān)。表面細(xì)晶層越厚，在次表面產(chǎn)生的塑性變形層厚度越小，塑性變形層最厚處約1.5 μm。

圖5a2為細(xì)晶層存在表面裂紋的截面組織，表面破碎不平整且在深約1 μm處存在磨削裂紋，裂紋平行于表面發(fā)展。細(xì)晶組織分布于裂紋兩側(cè)，且在細(xì)晶層下部存在約0.5 μm厚的塑性變形層，可以看到此類原始截面組織沿深度方向上組織均勻性較差。圖5b2是對(duì)應(yīng)的超聲滾壓處理后截面組織。觀察發(fā)現(xiàn)，原存在裂紋位置的表面細(xì)晶產(chǎn)生了剝離，在試樣表面產(chǎn)生淺層剝離，由于表面沒(méi)有細(xì)晶層抵抗塑性變形，所以在超聲滾壓處理作用下，塑性變形層較厚，約2 μm，去除原始組織中已經(jīng)存在的約0.5 μm厚的塑性變形層，其經(jīng)超聲滾壓處理后產(chǎn)生的塑性變形層厚度約為1.5 μm。

圖5a3為無(wú)細(xì)晶層的原始截面組織，表面較為平整，幾乎無(wú)細(xì)晶層且無(wú)微裂紋，截面組織沿深度方向無(wú)組織形態(tài)的變化，形態(tài)較為均勻。此類截面組織經(jīng)超聲滾壓處理后的形態(tài)如圖5b3所示，可以觀察到試樣表面產(chǎn)生了明顯的塑性變形層，流變方向一致，厚度約1.8 μm。

總結(jié)這3類原始及超聲滾壓處理后截面組織的表面微裂紋、細(xì)晶層和塑性變形情況，并結(jié)合表面組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，表面微裂紋一般出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)；細(xì)晶層越厚，超聲滾壓處理后預(yù)置的塑性變形層越不明顯，厚度越?。粺o(wú)細(xì)晶層時(shí)，超聲滾壓預(yù)置塑性變形層最容易，厚度最大。表面細(xì)晶層是由于試樣經(jīng)最終加工工序，即磨削加工過(guò)程中由于磨削熱和磨削力作用產(chǎn)生的一種硬而脆的組織。研究發(fā)現(xiàn)，磨削層內(nèi)易出現(xiàn)微裂紋，使得表面質(zhì)量下降、抗疲勞性能和疲勞壽命降低[23-24]。因此，經(jīng)磨削產(chǎn)生的裂紋一般出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)，而無(wú)細(xì)晶處截面組織一般無(wú)裂紋。

圖5 試樣截面組織：a1）表面細(xì)晶層無(wú)裂紋的原始截面組織；a2）細(xì)晶層存在表面裂紋的原始截面組織；a3）無(wú)細(xì)晶層的原始截面組織；b1～b3）3類原始截面對(duì)應(yīng)的超聲滾壓加工試樣截面組織

2.4 工藝參數(shù)對(duì)試樣表面粗糙度的影響

測(cè)量試樣表面粗糙度，得到原始試樣的表面粗糙度約為0.151 μm，經(jīng)超聲滾壓處理后，試樣表面粗糙度在不同工藝下的值為0.037～0.074 μm，最高可降低75%。不同超聲滾壓工藝下得到的試樣表面粗糙度值及其變化趨勢(shì)如圖6a～b所示，圖6a是靜壓力恒為200 kg時(shí)，不同電流對(duì)試樣表面粗糙度值的影響；圖6b為電流恒定為1.5 A時(shí)，不同靜壓力對(duì)試樣表面粗糙度的影響。根據(jù)圖中的曲線變化不難發(fā)現(xiàn)，試樣的值隨電流的增加逐漸下降，且下降趨勢(shì)顯著；而隨著靜壓力的增加，試樣值降低幅度很低，且有極小值，繼續(xù)增加靜壓力時(shí)值保持不變。超聲滾壓工藝中，電流與靜壓力對(duì)試樣表面粗糙度的影響程度不同。相比于靜壓力，電流在超聲滾壓處理中對(duì)試樣表面粗糙度的改善效果更好。這是因?yàn)殡娏髟黾?，超聲滾壓過(guò)程中產(chǎn)生的振幅和頻率增加，在試樣表面施加的動(dòng)態(tài)載荷加大，從而更加有效降低表面粗糙度[25]。

目前已有研究得出，軸承材料表面粗糙度的大小是影響滾動(dòng)軸承接觸疲勞壽命的重要因素[26-27]。一方面，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，表面粗糙度會(huì)影響油膜形成能力甚至改變潤(rùn)滑機(jī)制[28]，從而影響軸承疲勞壽命；另一方面，表面粗糙度會(huì)影響接觸面載荷分布從而提高疲勞壽命。軸承試樣運(yùn)行過(guò)程中，微觀層面上試樣表面峰先于谷被接觸，表面峰處受到更高的載荷，故在峰位置的受力更加集中，從而加快此處的疲勞進(jìn)程。因此，一般情況下，表面粗糙度與接觸疲勞壽命的大小成反比。表面超聲滾壓處理會(huì)改善試樣表面峰谷間的差距，產(chǎn)生良性的塑性流變來(lái)改善表面峰的受力情況，從而大幅提高軸承工作能力。

圖6 不同超聲滾壓工藝對(duì)應(yīng)試樣表面粗糙度

2.5 工藝參數(shù)對(duì)試樣表面及表層硬度的影響

采用超聲波硬度計(jì)原始及超聲滾壓處理后試樣表面進(jìn)行了洛氏硬度測(cè)量。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)原始不同位置多次進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的表面洛氏硬度值差距較大，其值為58～60.9HRC，差值約3HRC，平均為59.8HRC。經(jīng)超聲滾壓處理后，試樣表面洛氏硬度值范圍為61.8～63.5HRC，差值為1.7HRC?？梢钥闯鲈荚嚇颖砻娌煌恢糜捕戎档碾x散程度較大；試樣經(jīng)超聲滾壓處理后，試樣表面硬度的離散度顯著降低。圖7為不同超聲滾壓工藝參數(shù)下試樣表面硬度的變化情況：固定靜壓力僅增加電流時(shí)，試樣表面硬度小幅上升，上升幅度約為0.4HRC；電流不變，靜壓力增大時(shí)，試樣表面硬度增幅明顯，達(dá)到1.4HRC。不難看出，靜壓力對(duì)試樣表面硬度的提高效果大于電流。

采用顯微硬度儀原始及超聲滾壓處理后試樣表層160 μm深度范圍內(nèi)顯微硬度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。為了排除試樣表面測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差，選取的初始位置為距表面30 μm處?？梢钥吹?，原始試樣在初始測(cè)量點(diǎn)的顯微硬度最高，為697HV，隨深度的增加其值略有降低，至60 μm處保持平穩(wěn)，平均值為688HV。經(jīng)處理后，試樣表面顯微硬度值顯著提升，并隨著深度增加顯微硬度值下降明顯，在90 μm處其值趨于穩(wěn)定并與原始試樣值基本一致。試樣經(jīng)超聲滾壓處理后產(chǎn)生了約90 μm的硬化層，且產(chǎn)生的硬化層深度較穩(wěn)定，工藝參數(shù)的改變對(duì)其影響不大。觀察各工藝參數(shù)下硬度梯度曲線發(fā)現(xiàn)，圖8a中硬度梯度曲線重合度較高，只改變電流時(shí)，隨其增加硬度略有增加，硬化層深度隨電流工藝的改變量較小；圖8b中硬度梯度曲線重合度較低，只改變靜壓力時(shí)，不僅硬度隨靜壓力的增幅較高，硬化層深度也存在小幅增加。高頻的表面動(dòng)載會(huì)對(duì)試樣造成加工硬化及壓縮形變，這會(huì)引起試樣晶粒組織細(xì)化，且使材料表面引入殘余壓應(yīng)力[29]。殘余壓應(yīng)力的引入會(huì)提高試樣表面的硬度，且殘余應(yīng)力值越高，試樣表層顯微硬度越高[30]。根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)證明，表面顯微硬度是影響材料疲勞性能的主要因素，表面顯微硬度越高，試樣疲勞性能越好[31]。因此，超聲滾壓技術(shù)可以通過(guò)提高試樣表面硬度的方式提高試樣滾動(dòng)接觸疲勞壽命和工作能力。

圖7 超聲滾壓不同工藝試樣硬度變化

圖8 不同工藝超聲滾壓前后試樣表層顯微硬度梯度

2.6 不同工藝參數(shù)下塑性變形層變化規(guī)律

如前所述，細(xì)晶層越厚，超聲滾壓處理后預(yù)置的塑性變形層越不明顯，厚度越?。粺o(wú)細(xì)晶層時(shí)，超聲滾壓預(yù)置塑性變形層最容易，厚度最大，因此無(wú)細(xì)晶層截面組織的試樣經(jīng)超聲滾壓處理后產(chǎn)生的塑性層最明顯。故選擇無(wú)細(xì)晶層截面組織的試樣進(jìn)行不同超聲滾壓工藝的對(duì)比，探究不同工藝對(duì)試樣塑性變形層的影響，圖9為對(duì)應(yīng)的截面組織。本次試驗(yàn)中選取的工藝參數(shù)分別為3#、7#、9#，對(duì)應(yīng)圖中的b～d截面組織，a為原始組織。3種工藝參數(shù)已在圖下標(biāo)注，工藝編號(hào)越大，代表著工藝參數(shù)越高。

選取的原始試樣組織均勻，表面未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形層，貝氏體分布較為雜亂且無(wú)明顯流變現(xiàn)象。3種工藝下超聲滾壓處理后的試樣均產(chǎn)生了表面塑性流變層，其中3#工藝處理產(chǎn)生的塑性變形層厚度最小，約1 μm；9#工藝處理下產(chǎn)生的塑性變形層厚度最大，約為2 μm；7#工藝處理產(chǎn)生的塑性變形層厚約1.5 μm?？芍娏髋c靜壓力越大，超聲滾壓處理產(chǎn)生的塑性變形層越深。

圖9 試樣不同工藝處理截面組織

3 結(jié)論

1）根據(jù)試樣表面有無(wú)細(xì)晶層和表面有無(wú)裂紋情況將其分為3類：細(xì)晶層存在表面微裂紋的截面組織、細(xì)晶層無(wú)裂紋的截面組織及無(wú)細(xì)晶層截面組織。經(jīng)超聲滾壓處理后，這3類截面組織均形成了塑性變形層。表面微裂紋一般出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)；細(xì)晶層越厚，超聲滾壓處理后預(yù)置的塑性變形層越不明顯，厚度越小，且產(chǎn)生的塑性變形層存在于次表面；無(wú)細(xì)晶層時(shí)，超聲滾壓預(yù)置塑性變形層最容易，厚度最大。

2）超聲滾壓處理后試樣表面更加平整，機(jī)加工紋理明顯更加細(xì)小，犁溝深度變淺，表面粗糙度由原始的0.151 μm降低至最低0.037 μm，降幅最高為75%。超聲滾壓工藝中，電流對(duì)試樣表面粗糙度的影響更大。

3）超聲滾壓處理可以改善試樣表面硬度分布，減小試樣不同位置表面硬度值之間的差值。原始試樣表面洛氏硬度為59.8HRC，處理后提升為62.5HRC，提升幅度為4%。原始試樣顯微硬度隨深度增加變化不大，經(jīng)超聲滾壓處理后，試樣表層預(yù)置了約90 μm硬化層，且在深度方向上存在硬度梯度。靜壓力對(duì)試樣硬度的影響最大。

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Effect of Ultrasonic Rolling Process on Surface Microstructures and Properties of GCr15SiMn Bainitic Bearing Steel

a,a,b*,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, Liaoning Dalian 116028, China)

In contemporary mechanical production, bearings are referred to as "mechanical joints" because they support the rotation of various equipment components, reduce friction during usage, and ensure rotational precision. The failure of bearings, which affects the machine's operational state and potentially its safety, has drawn a lot of attention. Bainitic steel (especially lower bainitic steel) demonstrates significant benefits in rolling contact fatigue resistance due to its high hardness, toughness, and excellent comprehensive qualities. This work involved applying the ultrasonic rolling method to the surface treatment of bainitic bearing steel and examining how it affected the surface microstructures and properties of the GCr15SiMn bainitic bearing steel. The surface microstructures and properties of the race specimens of bainite bearings were compared and analyzed before and after the ultrasonic rolling treatment, and the effects of different ultrasonic rolling processes (current and static pressure) on the surface microstructures and properties of the samples were investigated, which offered a theoretical and experimental foundation for enhancing contact fatigue resistance and service life of GCr15SiMn bainite bearings. The three-dimensional morphology, surface morphology and cross section of the sample surface before and after ultrasonic rolling were observed with a Leica three-dimensional microscope and a scanning electron microscope, and the surface roughness and microhardness were measured with a roughness meter and a microhardness tester. The surface and cross-sectional microstructures of samples subjected to ultrasonic rolling with different parameters were analyzed. The results indicated that the surface condition of the original samples could be categorized into three types: cross section with surface microcracks in the fine-grained layer, cross section without cracks in the fine-grained layer, and cross section without the fine-grained layer. The ultrasonic rolling process created a plastic deformation layer in the three types of cross sections, and the thickness of the resulting plastic deformation layer was proportional to the fine crystalline layer of the surface, with the cross section without the fine-grained layer possessing the thickest layer. The cross section with surface microcracks in the fine-grained layer was fragmented and uneven, and there were grinding cracks at a depth of approximately 1 μm that extend parallel to the surface. The fine-grained structure was distributed on both sides of the crack, and the lowest portion of the fine-grained layer contained an approximately 0.5 μm thick plastic deformation layer. The surface of the original cross section without the fine-grained layer was generally flat, with nearly no microcracks, and there was a uniform structure morphology along the depth direction. After ultrasonic rolling, the surface's machined texture became thinner, and the furrow became shallower. The surface roughness of the sample decreased by 75%, the surface hardness of the sample increased by 4%, and the sample surface created a hardened layer of approximately 90 μm. Although the depth of the hardened layer and surface hardness of the sample increase with an increase in static pressure, the depth of the plastic deformation layer, the hardened layer, and the surface hardness of the sample decrease significantly with the increase of current. However, the depth of the hardened layer and surface hardness of the sample increase significantly with the increase of static pressure.

GCr15SiMn bainitic bearing steel; surface ultrasonic rolling treatment; fine-grained layer; surface properties; surface structure

2022-11-16；

2023-04-07

V261.2

A

1001-3660(2023)10-0430-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.039

2022-11-16；

2023-04-07

航空科學(xué)基金（實(shí)驗(yàn)室類）項(xiàng)目；航空科學(xué)基金（20200036064001）

Aviation Science Foundation (Laboratory) Program; Aeronautical Science Foundation (20200036064001)

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通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清