GCr15SiMn轴承钢表面超声滚压处理改性分析

宫崟翔，潘金芝,b，陈春焕,b，赵秀娟,b，任瑞铭,b

(大连交通大学 a.材料科学与工程学院；b.辽宁省轨道交通关键材料重点实验室，辽宁 大连 116028)

轴承是各类装备最重要的关键基础件之一，在现代工业和制造技术中占有重要地位。轴承的服役寿命与轴承零件的表面性能密不可分，也是整套机械装备可靠性的保证。轴承零件的失效形式有疲劳失效、磨损失效、强度失效、腐蚀失效等[1-5]。

疲劳失效是常见的形式之一[6]，轴承零件表面常常处于最大应力状态下，其损伤和失效往往发生在零件的表面或次表面。在传统加工工艺的基础上进一步改善轴承零件的表面性能具有重要的理论和实际意义。与其他表面强化技术(如喷丸和滚压)相比，表面超声滚压技术工艺简单，加工效率较高，可获得较低的表面粗糙度[7]，深度更大且均匀分布的表面残余应力及形变组织[8]，这些特点对改善材料表面质量和提高材料疲劳性能具有独特的优势。

表面超声滚压技术是将传统滚压技术与超声波冲击相结合[9]，实现对金属表面高速撞击和传统滚压处理，在两者共同作用下，使金属表面发生塑性变形和晶粒细化，降低表面粗糙度，提高表面硬度，且滚压过程中工件表面被均匀压缩,产生残余压应力[10]，这对提高机械零件的抗疲劳性和耐磨性非常有利。加工后工件表面产生一定的弹性回复，产生的塑性流动使其表面的“谷”被“峰”充满，表面粗糙度降到纳米级，提高了表面的综合性能[11]。

近年来，表面超声滚压技术迅速发展，并且得到了广泛应用。文献[12-13]通过透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪分析了超声滚压对40Cr钢使用性能的影响，超声滚压可实现试样表面纳米化，提高材料耐腐蚀性和耐磨性。文献[14]分析了超声滚压处理对6163铝合金表面粗糙度的影响，合理选择加工参数可以极大降低工件表面粗糙度。文献[15]对比AISI304不锈钢传统车削加工与车削后超声滚压处理的2种试样，研究发现后者试样表面粗糙度明显降低，残余压应力增加，疲劳极限增加。文献[16]对超声滚压处理前后的航空用2D12铝合金进行疲劳性试验，结果表明超声滚压加工后材料的疲劳寿命在相同应力下较之前提高了7倍。文献[17]研究发现超声滚压可显著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，在表面引入残余压应力层，有效减小裂纹的扩展速度，使工件的疲劳强度得到提升。但使用表面超声滚压技术处理轴承钢试样的研究却很少。

本文对GCr15SiMn轴承钢试样进行表面超声滚压处理，对比分析超声滚压处理前后试样表面性能和组织变化。

1 试验材料及方法

试验所用材料为GCr15SiMn轴承钢，原始显微组织(图1)为回火马氏体、碳化物及少量残余奥氏体。

图1 GCr15SiMn轴承钢光学显微组织Fig.1 Optical microstructure of GCr15SiMn bearing steel

试验采用HK30数控车床对φ60 mm×10 mm的GCr15SiMn轴承钢试样进行一次表面超声滚压处理，试样旋转，超声滚压工具头垂直于试样表面进行直线移动，移动的距离就是超声滚压处理环的宽度，其技术原理如图2所示。工艺参数：静压力为2 548 N，进给量为0.4 mm/r，电流为3.2 A，工作频率为27～33 kHz，超声滚压输出功率为480 W，总功率为1 800 W。

图2 超声滚压技术原理图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic rolling technology

对表面超声滚压处理前后的试样进行应力分布测试，测试方法为使用饱和氯化钠溶液对试样进行电化学腐蚀剥层，每次剥层深度约为100 μm，测试深度为2 500 μm。使用JD520表面粗糙度仪测量试样的表面粗糙度。使用FM-700型硬度仪测量试样截面的硬度分布，试样所加载荷为0.49 N, 保压时间为15 s。使用R(M)-150D1洛氏硬度计测量试样表面洛氏硬度。使用Lecia DMi8A金相显微镜和SUPRA 55 型场发射扫描电镜观察试样组织，光学显微镜观察的试样使用4%浓度的硝酸酒精进行腐蚀，扫描电镜观察的试样采用硅溶胶机械化学联合抛光进行腐蚀[18]。

2 结果及讨论

2.1 宏观形貌

超声滚压处理前后试样表面的宏观形貌如图3所示，处理前试样表面的机加工纹理较深且凸峰与凹谷线条间距密集(图3a)；处理后试样表面明显光滑，机加工纹理数量明显减少，高峰变小，低谷被填，高峰与低谷间的高度差减小，更为平整，明显体现出超声滚压处理技术“削峰填谷”的效果(图3b)。

图3 超声滚压处理前后试样表面SEM形貌Fig.3 SEM morphology of sample before and after ultrasonic rolling treatment

2.2 试样截面显微组织

试样的表面超声滚压方向与磨削方向一致，将与表面超声滚压处理方向平行的截面制成扫描试样。超声滚压处理前后试样截面显微组织如图4所示，与处理前试样相比，处理后试样发生了明显的塑性变形，变形层深度约1 μm。文献[19]研究表明晶粒细化能有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，从而显著延长接触疲劳寿命。

图4 表面超声滚压处理前后试样截面显微组织Fig.4 Section microstructure of sample surface before and after ultrasonic rolling treatment

2.3 表面粗糙度

分别对超声滚压处理前后试样的表面粗糙度Ra值进行测试，随机测试5个点。处理前试样表面粗糙度Ra值为0.153～0.177 μm，其平均值为0.165 μm，处理后试样的表面粗糙度Ra值为0.061～0.074 μm，其平均值为0.068 μm，平均表面粗糙度Ra值降低了0.097 μm，降幅为58.8%。

这是由于表面超声滚压处理中超声滚压刀具头以每秒20 000～30 000次的高频振动对试样进行挤压冲击，使材料表面产生大幅度的弹塑性变形。处理后试样表面产生一定的弹性回复，从而大大降低了表面粗糙度。文献[20]研究表明，滚动接触件的失效形式受滚道表面粗糙度的影响较大，表面粗糙度高时易产生表面裂纹从而导致剥落失效。当轴承试样表面粗糙度较大时，即存在较高的凸峰和较深的低谷，在滚动接触过程中，凸峰先被接触，凸峰处易产生接触应力集中，从而降低轴承的接触疲劳寿命，表面粗糙度Ra值越大，应力集中程度越大，寿命越短。表面超声滚压处理产生的塑性流动使试样表面的凸峰填充到低谷中，减小了高峰与低谷之间的高度差，使应力集中程度减弱，从而有效延长轴承钢的滚动接触疲劳寿命。

2.4 表面硬度

分别测试超声滚压处理前后试样表面洛氏硬度，随机测试5个点。处理前试样的洛氏硬度为61.2～61.5 HRC，其平均值为61.4 HRC，处理后试样的洛氏硬度为63.3～63.4 HRC，其平均值约为63.4 HRC，平均洛氏硬度增加了2 HRC，处理后试样洛氏硬度比处理前的均匀。

试样表面至心部的显微硬度分布如图5所示，试样处理前后表面显微硬度明显提高，与表面洛氏硬度规律一致。由于硬化层厚度很小，没有测试出来，根据截面组织分析可知，截面显微组织约有1 μm左右的变形层，硬化层深度应比变形层略深一点。

图5 试样截面的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of section of sample

硬度与强度有一定的对应关系，硬度越高，材料屈服强度越高[21]。超声滚压处理后试样硬度提高的原因可能为：1)经超声滚压强化后材料表面的组织发生塑性变形和晶粒细化，进而导致晶界面积增多，位错运动阻力增大，使晶粒间位错密度增加，金属表面产生的加工硬化层使处理后试样的硬度提高；2)由于少量残余奥氏体以介稳态的形式存在于试样中，在处理过程中发生相变，转化成硬度较高的马氏体使处理后试样硬度提高[22]。

疲劳裂纹通常在试样的次表面萌生，然后沿着所在平面向试样的表面和心部双向扩展形成疲劳破坏的主裂纹。裂纹向表面扩展的过程中，试样接触疲劳裂纹形成与扩展的动力学参数是次表面处最大剪切应力与表面硬度的比值，表面超声滚压处理后，表面硬度的提高减小了该比值，使裂纹扩展阻力增大，扩展速率减小，从而延长轴承钢的接触疲劳寿命[23]。

2.5 表面残余应力

分别对超声滚压处理前后试样表面进行残余应力测试，轴向残余应力与试样磨削方向垂直，周向残余应力与磨削方向平行。处理前试样周向残余压应力为201 MPa，处理后为319 MPa，提高了118 MPa，增幅为58.7%；处理前试样轴向残余压应力为402 MPa，处理后为647 MPa，提高了245 MPa，增幅为60.9%。由于表面超声滚压处理时工具头在材料表面的高频振动，材料表面发生严重的塑性变形及表面晶粒细化，产生较大的残余压应力。处理前后试样的轴向残余应力均大于周向残余应力，其原因为沿着周向方向的磨削及表面超声滚压处理会使金属有向两侧流动的趋势，即向轴向流动的趋势。

超声滚压处理前后试样从表面到心部残余应力分布如图6所示,由图可知：处理前试样无论周向还是轴向残余压应力的最大值都在表面，随距表面深度的增加，残余压应力减少，在距表面约100 μm处应力值趋于平稳;处理后试样无论周向还是轴向残余压应力的最大值都不在最表面，随距离表面深度的增加，残余压应力先增大，在距表面约200 μm的次表面出现最大压应力，周向最大压应力为575 MPa，轴向最大压应力为766 MPa，残余压应力达到最大后逐渐减小，在距表面700 μm处应力值趋于平稳，超声滚压处理后试样的残余压应力作用层提高了6倍。

图6 超声滚压处理前后试样的表面残余应力分布Fig.6 Residual stress distribution on surface layer of sample before and after ultrasonic rolling treatment

试样在超声滚压处理后表面应力大小和分布发生了明显的变化，其特点是压应力层厚度明显增加，不但表面压应力大幅度提高，而且压应力在表面分布还出现了一个突出的特点，即最大压应力出现在距表面约200 μm处。最大残余压应力分布在次表面是由于超声滚压处理过程中表面会产生弹塑性变形，弹性变形恢复后，表面的残余压应力得到释放，产生的塑性变形使次表面的残余压应力达到最大。轴承的接触疲劳裂纹通常在材料的次表面萌生，表面残余压应力的增加可有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。高残余压应力值部分抵消掉外界循环应力所产生的拉应力，使次表面处最大剪切应力值减小，从而延缓疲劳裂纹源的萌生，延长疲劳裂纹源的萌生期，从而提高轴承的接触疲劳寿命[22]。残余压应力也不是越大越好，有研究表明当σr+σm+σa>σs时, 残余应力松弛, 残余应力对疲劳寿命无影响;当σr+σm+σa<σs时, 残余应力不松弛, 残余应力对疲劳寿命有影响 ，其中σm为平均应力，σr为残余应力，σs为材料的屈服极限，σa为应力幅[24]。表面适当的残余压应力可以使试样承受更大的轴向载荷，对起源于表面的疲劳裂纹也是有益的。

3 结论

将GCr15SiMn轴承钢试样进行表面超声滚压处理，对处理前后试样的表面粗糙度、表面硬度、残余压应力和显微组织进行了对比分析，得出以下结论：

1)表面超声滚压处理后，试样平均表面粗糙度Ra值由0.165 μm降到0.068 μm，降幅为58.8%，试样表面平整，突显削峰填谷的效果；试样表面平均洛氏硬度由61.4 HRC提高到63.4 HRC，平均硬度值提高了2 HRC。

2)表面超声滚压处理后，周向残余压应力由201 MPa提高到319 MPa，提高了118 MPa，增幅为58.7%；轴向残余压应力由402 MPa提高到647 MPa，提高了245 MPa，增幅为60.9%。

3)超声滚压处理改变了试样表面压应力分布规律，无论周向还是轴向残余压应力的最大值都不在表面，而是在距表面约200 μm的次表面，周向最大压应力为575 MPa,轴向最大压应力为766 MPa，残余压应力作用层由100 μm增至700 μm，提高了6倍。

4)表面超声滚压处理后，试样表面显微组织发生明显塑性变形，形成约1 μm的塑性变形层。