硬切削白层对GCr15轴承钢表面摩擦磨损性能的影响

邹 翩，于爱兵，吴其亮，王贵林，李克凡，吴森凯

(宁波大学机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211)

[收稿日期] 2022-01-23

[基金项目] 国家自然科学基金(51875294)；宁波市科技创新2025重大专项(2018B10006)资助

[通信作者] 于爱兵(1968-)，教授，主要从事表面工程以及刀具研究，电话：13732198658，E - mail:yuaibing@nbu.edu.cn

0 前 言

GCr15轴承钢具有良好的淬透性，经热处理后，具有良好的尺寸稳定性和抗腐蚀性，可获得硬度、接触疲劳强度较高与耐磨性较好的表面，通常用于轴承、齿轮、冷冲模等零件的制造[1，2]。然而，这些部件经常受到摩擦和循环应力，从而易被磨损。因此，轴承钢的磨损性能被广泛关注。研究表明，热处理后的轴承钢具有较高的硬度，经高速硬切削，在其表面会产生由白层和暗层组成的变质层[3]。硬切削白层在高温和塑性变形条件下产生，存在于切削工件的最表层，白层的组织特征与基体不同，白层会影响已切削表面的应力应变分布和摩擦磨损性能[4]，对于工件成为零件后的表面质量以及使用性能产生很大影响。我国对工业生产中的环保要求越来越高，切削加工技术不仅要实现高的加工精度和加工效率，还要实现绿色加工。传统加工中，冷却液会造成环境污染，废液也难以回收，因此干切削正逐渐被广泛应用于实际切削加工中[5,6]。干硬切削逐渐成为轴承钢的常用加工方法[6-8]，切削过程中不使用切削液，可实现绿色加工。

目前，一些学者对硬切削下轴承钢表面白层的组织和性能进行了理论和实验研究。陈涛等[9]通过对经过热处理后的GCrl5轴承钢进行硬切削试验和对其表面白层的测试，发现加工表面白层的形成过程中发生了剧烈的晶粒细化，使白层具有高硬度、耐腐蚀的特性。Mashloosh 等[10]发现硬切削下白层的产生可提高试件表面硬度，热稳定性更高，并且能够减小其表面磨粒磨损，使试件的耐磨性更好。但是Guo等[4]发现白层产生了残余应力，会进一步加剧试件表面裂纹的生成和扩展，导致剥落磨损的出现。综上所述，硬态切削过程中，高硬度材料工件表面极易形成硬度更高的白层组织，白层有助于提高工件表面的耐腐蚀性和耐磨性，但同时也容易引起工件表面的剥落失效和疲劳裂纹。高速硬干切削过程中极易产生白层，其会影响零件的表面质量和服役性能，但是白层的产生是无法完全避免的，只能通过优化工艺参数来控制白层的产生，使其对零件的影响尽量利大于弊，这往往与白层的形成过程、厚度、硬度、摩擦磨损条件等因素有关。

Tomlinson等[11]发现，在磨粒磨损过程中，材料表面的白层较薄且存在尖峰时，尖峰会被磨掉，摩擦副表面也更易被划伤；但当白层厚度较大时，材料表面具有很好的抗磨损能力，表面划伤较小，耐磨性提高。Yang等[12]发现，在较高的接触应力下，白层对降低材料的抗磨损能力的贡献很小；在低应力的磨粒磨损中，白层几乎不对磨损率产生影响。张凌飞[13]对表面存在白层的硬切削零件进行耐磨性试验时发现，滚滑动复合摩擦条件下和纯滑动摩擦条件下，零件的摩擦磨损性能完全不同。目前，就白层对材料表面摩擦性能的影响的研究较少，且存在不同的观点，因此，需要进一步探讨硬切削加工表面白层对工件摩擦性能的影响。本工作选择GCr15轴承钢作为试件材料，对其进行硬切削加工，对比未切削和已切削工件表面的磨损性能，研究了白层对工件摩擦磨损的影响，为提高轴承钢的使用寿命提供理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 材料

实验材料为直径φ80 mm，壁厚15 mm的空心圆筒状GCr15轴承钢。热处理过程为：加热至850 ℃，保温2 h后，经机油冷却，进行180 ℃回火，保温4 h，热处理后轴承钢的平均硬度达到58 HRC。屈服强度和抗压强度分别为1.67 GPa和2.85 GPa。材料经热处理后的微观组织如图1所示，由图1可以观察到，其主要组成成分为板条状马氏体，同时存在少量的球状碳化物。

1.2 试验方法

切削实验在CAK3665型数控车床上进行，切削条件为：切削速度v=250 m/min，进给量f=0.1 mm/r，切削深度ap=0.1 mm，干切削。刀具选用MDJNR2020K1504型机夹式聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片。每组切削实验重复3次，每次切削实验结束后更换新的车刀刀片，以确保实验的准确性。通过硬切削实验获得已切削试样，已切削试样表面微观形貌如图2所示。在空心圆筒状加工试件的外圆表面采用线切割法截取部分制试样，用于摩擦磨损试验。磨损试验前，采用F - 030ST型超声波清洗机对试样清洗5 min并烘干，选用丙酮溶液作为清洗剂，以试样的外圆柱面做为摩擦面。

磨损实验采用HSR - 2M型高速往复销盘式摩擦磨损机。对摩材料选择直径5 mm的GCr15轴承钢球，其硬度为58 HRC，表面粗糙度为0.15 μm，试样分别为已切削试样和未切削试样，表面粗糙度分别0.58 μm和0.43 μm。磨损示意图如图3所示，在5 N的恒定载荷下，以500 r/min的往复速度进行30 min的干摩擦，磨痕长度8 mm，摩擦磨损试验重复3次。

1.3 性能表征

使用线切割机将已切削试样和磨损后试样制成规范尺寸，并分成2组：1组用于测量已切削试样表面白层的显微硬度，1组清洗烘干后用XQ - 2B型镶嵌机制备磨损表面和截面试样。采用VK - X210型激光共聚焦扫描显微镜分析磨损表面轮廓，采用SU - 5000型扫描电子显微镜观察试样截面和磨损表面的形貌。用HXD - 1000型硬度计测试试样沿截面深度方向的显微硬度分布，测试条件为：加载力1.961 N，加载时间15 s，重复5次取平均值。磨损量的计算公式见式(1)[14]：

(1)

其中，V为磨损体积，mm3；h为磨痕深度，mm；b为磨痕宽度，mm；r为对摩球半径，mm。

2 结果与讨论

2.1 切削表面白层

图4是切削表面截面微观组织的SEM形貌，已加工表面可观察到厚度为6 μm的白层。

图5为2种试样的显微硬度沿截面深度的变化曲线。未切削试样表面的显微硬度范围为709～718 HV。由图5可知，当距离表面深度小于30 μm时，已切削试样的显微硬度大于未切削试样的。图6为已切削试样表面白层的XRD谱，奥氏体峰值大约在64°，其强度较低，铁素体/马氏体峰值大约在82°，强度较高[9]，结合图1中微观组织的形貌，观察到已切削试样表面存在板条状马氏体，这证明在试样表面发生了晶粒细化和马氏体组织转变，产生了白层。已切削最表面的白层硬度远高于未切削试样表面的，这是因为在硬切削过程中，在已切削试样的表面会产生大量的切削热和塑性变形，表层区域的切削热迅速向被切削试件传递，在该区域产生了比常规淬火速度快得多的冷却速度，这样的环境条件有利于奥氏体迅速转变为晶格细小的马氏体，从而使表面白层的硬度提高[15-17]。

2.2 摩擦系数

图7为2种试样的摩擦系数曲线。由图7可知，在初期，2种试样的摩擦系数均急剧增加，随后进入缓慢增加阶段，最终未切削试样表面的摩擦系数稳定至0.88，已切削试样表面的摩擦系数稳定至0.52，与未切削试样相比摩擦系数降低了40.9%。白层的高硬度和强度降低了已切削试样表面的黏着磨损和塑性变形[18]，另外，白层有利于降低试样表面的切应力，而剪切强度降低，使得材料表面的性能得到改善，从而降低摩擦系数[19]，故已切削表面的摩擦系数小于未切削表面的。

2.3 磨损量

图8为未切削试样和已切削试样的磨损表面三维形貌。在图8a中，未切削试样表面磨痕深度为15 μm，磨痕宽度为500 μm，在图8b中，已切削试样表面磨痕深度为2 μm，宽度为250 μm。与未切削试样表面相比，已切削试样表面的磨损更小，耐磨性更好。

通过计算得到未切削试样的磨损量为0.079 mm3，已切削试样的磨损量为0.005 mm3，与未切削试样相比，其磨损量降低了93.7%，说明已切削试样的耐磨性高于未切削试样。由图5和图7可知，已切削试样表面生成的白层的硬度比未切削试样表面高，摩擦系数更低，耐磨性更好，因此，已切削表面呈现出较低的磨损量。

2.4 磨损表面形貌

图9分别为2种试样的表面磨损形貌，可观察到2种试样表面的划痕、犁沟，表明存在磨料磨损[20]。如图9a中箭头A、B所示，在未切削试样表面可观察到局部区域分布着大小不同的剥落凹坑，且表面存在着短的划痕。如图9b中箭头A、B所示，在已切削试样表面沿摩擦方向上存在较多的长犁沟，且表面分布着黏着的片状磨屑，磨损导致的材料表面硬质颗粒的剥落会对材料表面进行犁削，进而在试样的表面产生犁沟[21]。从图9可观察到，未切削试样表面的剥离凹坑明显多于已切削试样表面的，这是因为未切削表面的硬度低于白层，对裂纹起始和传播的抑制作用弱于白层，碎片更容易地压入未切削试样的表面，并产生划痕和剥落坑[18,22]。因此，白层的高硬度可减小试样的磨损，从而使得已切削试样的磨损相比于未切削试样更轻微。

3 结 论

(1)采用聚晶立方氮化硼刀具对GCr15轴承钢进行硬切削，在GCr15表面会产生硬度比基体高的白层。

(2)与未切削试样表面相比，已切削试样表面的摩擦系数降低，磨损量减小。

(3)未切削试样表面的磨损以磨料磨损和剥落磨损为主，已切削试样表面的磨损以磨粒磨损为主。

(4)硬切削试样表面白层可提高GCr15轴承钢的耐磨性，改善其摩擦磨损性能。