張 強１,２,孫世清１,楊卯生２

(１．河北科技大學材料科學與工程學院,石家莊 ０５００１８;２．鋼鐵研究總院特殊鋼研究所,北京 １０００８１)

    摘要:對采用雙真空熔煉制備的３２Cr３MoVE 軸承鋼進行表面滲氮處理,利用滾動接觸疲勞試驗機在４．５GPa高應(yīng)力下研究其滾動接觸疲勞性能,分析其滾動接觸疲勞破壞機制.結(jié)果表明:試驗鋼的有效滲氮層深度為３５０μm,隨距表面距離的增大,滲氮層殘余壓應(yīng)力呈先增大后減小趨勢,距表面３００μm 處的殘余壓應(yīng)力最大,為６１０MPa;滲氮層中存在沿晶界分布的白色脈狀組織;利用雙參數(shù) Weibull分布計算得到其滾動接觸疲勞特征壽命、額定疲勞壽命、中值疲勞壽命分別為３．０４０×１０８,０．３５７×１０８,２．０８３×１０８周次;試驗鋼的滾動接觸疲勞破壞模式包括表面起裂和次表面起裂兩種,表面起裂試樣剝落坑的平均直徑及深度均明顯大于次表面起裂試樣的;表面起裂試樣沿表面點蝕坑或劃痕處起裂,次表面起裂試樣在長時間循環(huán)接觸應(yīng)力作用下,次表面材料性能退化,導致裂紋萌生.

   關(guān)鍵詞:軸承鋼;高應(yīng)力;滾動接觸疲勞;滲氮;脈狀組織

中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０９Ｇ００３８Ｇ０５

０ 引 言

    軸承鋼通常是機械系統(tǒng)中負載最高的結(jié)構(gòu)材料,其 局 部 應(yīng) 力 是 材 料 單 軸 屈 服 強 度 的 ２~３倍[１].先進軸承鋼通常具有高強度、高韌性、優(yōu)異的 耐 高 接 觸 應(yīng) 力 和 耐 高 溫 等 性 能,其 中３２Cr３MoVE鋼因 其 優(yōu) 異 的 綜 合 性 能 而 廣 泛 應(yīng) 用于航空滲氮 軸 承 的 制 造 中[２].研 究 表 明,軸 承 在承受滾動和 滑 動 摩 擦 時,其 表 面 會 出 現(xiàn) 滾 動 接 觸疲勞現(xiàn)象[１Ｇ５].因此,需通過表面改性技術(shù)來提高軸承表面的硬度、耐腐蝕性能、抗疲勞性能并延長其使用壽命,其 中 最 常 用 的 表 面 改 性 技 術(shù) 為 滲 氮處 理. WANG 等[６]研 究 表 明,０．１CＧ３CrＧ２WＧV軸承鋼表面滲 氮 后,其 滾 動 接 觸 疲 勞 性 能 得 到 明 顯改善.高玉魁[７]研究表明,３２Cr３MoVA 滲氮軸承鋼的滲氮層 較 淺、表 面 硬 度 較 低 且 滲 氮 層 硬 度 梯度較大,因此 表 面 易 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 松 弛 且 表 面 層 易 剝落,從 而 嚴 重 影 響 其 接 觸 疲 勞 性 能.RYCERZ等[８]研究表明,當 AISI５２１００軸承 鋼 的 破 壞 模 式為表面 起 裂 時,裂 紋 與 表 面 的 夾 角 為 ２０°~３０°.馬艷紅等[９]采用動力學分析軟件對航空發(fā)動機主軸承接觸應(yīng) 力 進 行 模 擬 計 算,得 到 最 大 接 觸 應(yīng) 力在２GPa左 右.目 前,有 關(guān) 滾 動 接 觸 疲 勞 的 研 究主要集中在 材 料 表 面 受 應(yīng) 力 的 影 響 上,鮮 見 材 料次表面受應(yīng)力影響方面的報道.為此,作者對采用雙真空熔煉制備的３２Cr３MoVE軸承鋼進行表面滲氮處理后,利用滾動接觸疲勞試驗機在４．５GPa高應(yīng)力下研究其滾動接觸疲勞性能,觀察剝落坑形貌,分析在高應(yīng)力下表面和次表面的滾動接觸疲勞破壞機理,為提高３２Cr３MoVE 滲氮軸承鋼滾動接觸疲勞壽命提供試驗依據(jù).

１ 試樣制備與試驗方法

    采用 雙 真 空 熔 煉 工 藝 制 備 ３２Cr３MoVE 軸 承鋼,其化學 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù)/％)為 ０．３２C,２．９５Cr,０．９９Mo,０．２５V,０．００５P,０．００１S;熱 處 理 工 藝 為９３０℃×１h油淬＋５５０ ℃×２h空冷.經(jīng)熱處理后試驗 鋼 的 抗 拉 強 度 為 １５２５ MPa,屈 服 強 度 為１２８３MPa.將 試 驗 鋼 加 工 成 尺 寸 為 ?１０ mm×７８mm 的圓棒,采用 CRV(N)Ｇ５１４ＧE型真空滲氮爐對圓棒進行真空氣體滲氮,采用四段滲氮法,即先在５５０℃保溫１３h,隨后將氮勢降為２,保溫１５h進行強滲,隨后進一步降低氮勢,保溫１０h,最后進行退氮處理.滲氮結(jié)束后,將滲氮試樣剖開,經(jīng)打磨、拋

光,用體積分數(shù) ４％ 的硝酸酒精溶液腐蝕后,采用ZEISSAxioVert．A１型光學顯微鏡觀察滲氮層顯微組織.采用FEIQuanta６５０型掃描電鏡(SEM)觀察滲氮層形貌,用附帶的 EDAX GENESIS能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析.按照 GB/T１１３５４—２００５,采用 FMＧ３００型顯微硬度計由表面至內(nèi)部每隔５０μm 測截面硬度,載荷為２．９４N,保載時間為１０s,相 同 深 度 測 ３ 點 取 平 均 值. 采 用        XstressRobotX射線應(yīng)力分析儀由表面至內(nèi)部每隔５０μm測縱向殘余應(yīng)力,采用鉻靶,管電流７．６mA,管電壓３０kV.按照 YB/T５３４５—２０１４,采用自制的滾動接觸疲勞試驗機對滲氮后的圓棒試樣進行接觸疲勞試驗,試樣裝配如圖１所示,滾珠選用直徑１２．７mm 的GCr１５鋼球,滾珠與圓棒試樣之間的接觸應(yīng)力設(shè)置為４．５GPa,遠高于航空發(fā)動機主軸承２．０~２．５GPa的工作應(yīng)力上限.

   采用 FEIQuanta６５０型掃描電鏡觀察疲勞試驗后試樣的剝落坑徑向截面形貌,測量剝落坑平均直徑和深度.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 滲氮層硬度、殘余應(yīng)力及顯微組織

    由圖２可以看出,試驗鋼滲氮層主要由含氮馬氏體組成.由圖３可以看出:試驗鋼滲氮層表面硬度為９３０HV,截面硬度由表面至心部逐漸降低,最終硬度穩(wěn)定在４５０HV左右,有效滲氮層深度為３５０μm;滲氮層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,且隨距表面距離的增大,殘余壓應(yīng)力先增大后減小,距表面３００μm處的殘余壓應(yīng)力最大,為６１０MPa.

    由圖４可以看出:滲氮層中出現(xiàn)多層沿晶界分布的白色波紋狀組織,即脈狀組織;脈狀組織主要由鐵、鉻、氮等元素組成.脈狀組織的形成與氮原子向內(nèi)擴散以及晶界處合金元素的偏析有關(guān).氮在擴散過程中與鉻、鐵形成 CrN、Fe４N 并在晶界處堆積,從而形成白色脈狀組織.

２．２ 滾動接觸疲勞性能

２．２．１ 疲勞壽命

     根據(jù)文獻[１０Ｇ１１],利用雙參數(shù) Weibull分布計算材料接觸疲勞特征壽命,Weibull分布函數(shù)為式中:P(N)為累積失效概率;N 為試樣的接觸疲勞壽命;β為 Weibull斜率;VS 為試樣特征壽命,即P(N)＝６３．２％時試樣的接觸疲勞壽命.圖５ ４．５GPa應(yīng)力下試驗鋼接觸疲勞壽命 Weibull分布曲線。

    將試驗得到４．５GPa接觸應(yīng)力下試樣的接觸疲勞壽命代入式(１)中,得到 Weibull分布曲線如圖５

所示,擬合得到VS為３．０４０×１０８周次,β為１．０５０.

當P(N)為１０％,５０％時,其對應(yīng)的額定疲勞壽命L１０和中值疲勞壽命L５０的計算公式[１０]分別為

    將VS 和β 代入式(２)和式(３),計算得到試驗鋼的L１０,L５０分別為０．３５７×１０８周次,２．０８３×１０８周次.與文獻[１０]中的數(shù)據(jù)相比,在相同高應(yīng)力下其L１０,L５０,VS均提高一個數(shù)量級,這是由于試驗鋼滲氮層的表面硬度比文獻中試樣的高２００ HV 左右.

    滲氮層表面硬度的提高可有效抑制表面裂紋的萌生與擴展,從而提高滲氮試樣的接觸疲勞壽命[１２].

２．２．２ 滾動接觸疲勞破壞機制

    經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),試驗鋼的室溫接觸疲勞破壞模式有兩種,即沿表面點蝕坑或劃痕起裂(表面起裂)和因材料次表面退化而萌生裂紋(次表面起裂).由表１可以看出,表面起裂模式下剝落坑的平均直徑及深度明顯較大,說明表面起裂模式對試驗鋼接觸疲勞壽命有較大的影響.

    由圖６可以看出:在高壓應(yīng)力作用下,表面起裂試樣在表面缺陷(如點蝕坑、劃痕)處因應(yīng)力集中而萌生裂紋,然后裂紋沿與表面切向成近３０°方向向內(nèi)部擴展;當裂紋在擴展區(qū)中擴展時,裂紋擴展方向。

基本同試樣表面切向成４５°;當裂紋擴展進入瞬斷區(qū)時,因裂紋擴展速率很大,在循環(huán)應(yīng)力作用下快速貫通表面而形成完整剝落坑.由圖７可以看出,表面起裂試樣裂紋擴展區(qū)中的二次裂紋沿脈狀組織進行擴展.脈狀組織的力學性能較差,有利于裂紋的擴展,因此表面起裂試樣的接觸疲勞壽命顯著降低.

２．２ 膨脹法測定相變溫度

    膨脹法測定鋼的臨界相變點是根據(jù)鋼樣在加熱和冷卻時,由于相變引起的體積效應(yīng)疊加在膨脹曲線上,破壞了膨脹量與溫度間的線性關(guān)系,最后根據(jù)熱膨脹曲線上所顯示的熱膨脹的變化點來確定相變溫度.圖２為熱軋態(tài) Q３４５鋼的熱膨脹曲線和對應(yīng)的一次微分曲線.

    滾動接觸載荷下的材料響應(yīng)可分為安定階段、穩(wěn)定階段和不穩(wěn)定階段等３個階段[１３Ｇ１４].在長時間循環(huán)應(yīng)力作用下,尤其是當次表面受到高剪切應(yīng)力作用時,試樣發(fā)生應(yīng)力Ｇ應(yīng)變循環(huán)的棘輪效應(yīng),即試樣表面在第一次加載后就產(chǎn)生塑性變形,但試樣表面的殘余應(yīng)力、加工硬化和幾何形狀均可使材料處于安定狀態(tài);當進入第二階段時,加工硬化阻止試樣的進一步塑性變形,使材料處于穩(wěn)態(tài)階段,該階段的時間長短直接影響試樣的疲勞壽命;當進入第三階段后,在循環(huán)應(yīng)力作用下,試樣次表面發(fā)生明顯的微觀塑性變形,導致次表面發(fā)生相變并產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力,使材料性能發(fā)生退化,因此疲勞裂紋萌生率提高[１３Ｇ１５].由圖８可以看出:次表面起裂試樣剝落坑底部存在裂紋,且最長裂紋的長度約為９．２μm;在剝落坑周圍的部分表面也存在因長時間循環(huán)應(yīng)力作用而萌 生 的 裂 紋,且 剝 落 坑 底 部 平 行 于 試 樣表面.滲 氮 試 樣 的 次 表 面 存 在 較 大 的 殘 余 壓 應(yīng)力,導致裂紋不易在次表面萌生,但經(jīng)長時間循環(huán)應(yīng)力作用后,次表面材料不斷發(fā)生加工硬化,造成次表面材 料 性 能 退 化,最 終 導 致 裂 紋 萌 生;同 時,材料微觀塑性變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消了部分殘余壓應(yīng)力,使其抑制裂紋擴展的能力減弱,因此裂紋萌生后便 平 行 于 試 樣 表 面 擴 展;當 裂 紋 擴 展 到一定長度,且裂紋擴展速率足夠大時,裂紋快速貫穿表面,從而形成剝落坑.

３ 結(jié) 論

    (１)３２Cr３MoVE滲氮軸承鋼的有效滲氮層深度為３５０μm,滲氮層表面硬度為９３０HV;隨距表面距離的增大,滲氮層殘余壓應(yīng)力呈先增大后減小趨勢,距表面３００μm 處的殘余壓應(yīng)力最大,為６１０MPa;氮在擴散過程中與鉻、鐵形成 CrN、Fe４N 并在晶界處堆積,在滲氮層中形成沿晶界分布的白色脈狀組織.

    (２) 利 用 雙 參 數(shù) Weibull 分 布 計 算 得 出３２Cr３MoVE滲 氮 軸 承 鋼 在 ４．５ GPa 高 應(yīng) 力 下 的Weibull斜率為１．０５０,滾動接觸疲勞特征壽命、額定疲勞 壽 命、中 值 疲 勞 壽 命 分 別 為 ３．０４０×１０８,０．３５７×１０８,２．０８３×１０８周次.

    (３)３２Cr３MoVE滲氮軸承鋼的滾動接觸疲勞破壞模式包括表面起裂和次表面起裂兩種,且表面起裂試樣剝落坑的平均直徑及深度均明顯大于次表面起裂試樣的;表面起裂試樣沿表面點蝕坑或劃痕處起裂,且裂紋擴展區(qū)中的二次裂紋沿脈狀組織擴展;次表面起裂試樣在長時間循環(huán)接觸應(yīng)力作用下,其次表面不斷發(fā)生加工硬化,造成次表面材料性能退化,導致裂紋萌生.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2019年 > 9期 > pp.38）