张 强１,２,孙世清１,杨卯生２

(１．河北科技大学材料科学与工程学院,石家庄 ０５００１８;２．钢铁研究总院特殊钢研究所,北京 １０００８１)

    摘要:对采用双真空熔炼制备的３２Cr３MoVE 轴承钢进行表面渗氮处理,利用滚动接触疲劳试验机在４．５GPa高应力下研究其滚动接触疲劳性能,分析其滚动接触疲劳破坏机制.结果表明:试验钢的有效渗氮层深度为３５０μm,随距表面距离的增大,渗氮层残余压应力呈先增大后减小趋势,距表面３００μm 处的残余压应力最大,为６１０MPa;渗氮层中存在沿晶界分布的白色脉状组织;利用双参数 Weibull分布计算得到其滚动接触疲劳特征寿命、额定疲劳寿命、中值疲劳寿命分别为３．０４０×１０８,０．３５７×１０８,２．０８３×１０８周次;试验钢的滚动接触疲劳破坏模式包括表面起裂和次表面起裂两种,表面起裂试样剥落坑的平均直径及深度均明显大于次表面起裂试样的;表面起裂试样沿表面点蚀坑或划痕处起裂,次表面起裂试样在长时间循环接触应力作用下,次表面材料性能退化,导致裂纹萌生.

   关键词:轴承钢;高应力;滚动接触疲劳;渗氮;脉状组织

中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０９Ｇ００３８Ｇ０５

０ 引 言

    轴承钢通常是机械系统中负载最高的结构材料,其 局 部 应 力 是 材 料 单 轴 屈 服 强 度 的 ２~３倍[１].先进轴承钢通常具有高强度、高韧性、优异的 耐 高 接 触 应 力 和 耐 高 温 等 性 能,其 中３２Cr３MoVE钢因 其 优 异 的 综 合 性 能 而 广 泛 应 用于航空渗氮 轴 承 的 制 造 中[２].研 究 表 明,轴 承 在承受滚动和 滑 动 摩 擦 时,其 表 面 会 出 现 滚 动 接 触疲劳现象[１Ｇ５].因此,需通过表面改性技术来提高轴承表面的硬度、耐腐蚀性能、抗疲劳性能并延长其使用寿命,其 中 最 常 用 的 表 面 改 性 技 术 为 渗 氮处 理. WANG 等[６]研 究 表 明,０．１CＧ３CrＧ２WＧV轴承钢表面渗 氮 后,其 滚 动 接 触 疲 劳 性 能 得 到 明 显改善.高玉魁[７]研究表明,３２Cr３MoVA 渗氮轴承钢的渗氮层 较 浅、表 面 硬 度 较 低 且 渗 氮 层 硬 度 梯度较大,因此 表 面 易 产 生 应 力 松 弛 且 表 面 层 易 剥落,从 而 严 重 影 响 其 接 触 疲 劳 性 能.RYCERZ等[８]研究表明,当 AISI５２１００轴承 钢 的 破 坏 模 式为表面 起 裂 时,裂 纹 与 表 面 的 夹 角 为 ２０°~３０°.马艳红等[９]采用动力学分析软件对航空发动机主轴承接触应 力 进 行 模 拟 计 算,得 到 最 大 接 触 应 力在２GPa左 右.目 前,有 关 滚 动 接 触 疲 劳 的 研 究主要集中在 材 料 表 面 受 应 力 的 影 响 上,鲜 见 材 料次表面受应力影响方面的报道.为此,作者对采用双真空熔炼制备的３２Cr３MoVE轴承钢进行表面渗氮处理后,利用滚动接触疲劳试验机在４．５GPa高应力下研究其滚动接触疲劳性能,观察剥落坑形貌,分析在高应力下表面和次表面的滚动接触疲劳破坏机理,为提高３２Cr３MoVE 渗氮轴承钢滚动接触疲劳寿命提供试验依据.

１ 试样制备与试验方法

    采用 双 真 空 熔 炼 工 艺 制 备 ３２Cr３MoVE 轴 承钢,其化学 成 分 (质 量 分 数/％)为 ０．３２C,２．９５Cr,０．９９Mo,０．２５V,０．００５P,０．００１S;热 处 理 工 艺 为９３０℃×１h油淬＋５５０ ℃×２h空冷.经热处理后试验 钢 的 抗 拉 强 度 为 １５２５ MPa,屈 服 强 度 为１２８３MPa.将 试 验 钢 加 工 成 尺 寸 为 ?１０ mm×７８mm 的圆棒,采用 CRV(N)Ｇ５１４ＧE型真空渗氮炉对圆棒进行真空气体渗氮,采用四段渗氮法,即先在５５０℃保温１３h,随后将氮势降为２,保温１５h进行强渗,随后进一步降低氮势,保温１０h,最后进行退氮处理.渗氮结束后,将渗氮试样剖开,经打磨、抛

光,用体积分数 ４％ 的硝酸酒精溶液腐蚀后,采用ZEISSAxioVert．A１型光学显微镜观察渗氮层显微组织.采用FEIQuanta６５０型扫描电镜(SEM)观察渗氮层形貌,用附带的 EDAX GENESIS能谱仪(EDS)进行微区成分分析.按照 GB/T１１３５４—２００５,采用 FMＧ３００型显微硬度计由表面至内部每隔５０μm 测截面硬度,载荷为２．９４N,保载时间为１０s,相 同 深 度 测 ３ 点 取 平 均 值. 采 用        XstressRobotX射线应力分析仪由表面至内部每隔５０μm测纵向残余应力,采用铬靶,管电流７．６mA,管电压３０kV.按照 YB/T５３４５—２０１４,采用自制的滚动接触疲劳试验机对渗氮后的圆棒试样进行接触疲劳试验,试样装配如图１所示,滚珠选用直径１２．７mm 的GCr１５钢球,滚珠与圆棒试样之间的接触应力设置为４．５GPa,远高于航空发动机主轴承２．０~２．５GPa的工作应力上限.

   采用 FEIQuanta６５０型扫描电镜观察疲劳试验后试样的剥落坑径向截面形貌,测量剥落坑平均直径和深度.

２ 试验结果与讨论

２．１ 渗氮层硬度、残余应力及显微组织

    由图２可以看出,试验钢渗氮层主要由含氮马氏体组成.由图３可以看出:试验钢渗氮层表面硬度为９３０HV,截面硬度由表面至心部逐渐降低,最终硬度稳定在４５０HV左右,有效渗氮层深度为３５０μm;渗氮层的残余应力为压应力,且随距表面距离的增大,残余压应力先增大后减小,距表面３００μm处的残余压应力最大,为６１０MPa.

    由图４可以看出:渗氮层中出现多层沿晶界分布的白色波纹状组织,即脉状组织;脉状组织主要由铁、铬、氮等元素组成.脉状组织的形成与氮原子向内扩散以及晶界处合金元素的偏析有关.氮在扩散过程中与铬、铁形成 CrN、Fe４N 并在晶界处堆积,从而形成白色脉状组织.

２．２ 滚动接触疲劳性能

２．２．１ 疲劳寿命

     根据文献[１０Ｇ１１],利用双参数 Weibull分布计算材料接触疲劳特征寿命,Weibull分布函数为式中:P(N)为累积失效概率;N 为试样的接触疲劳寿命;β为 Weibull斜率;VS 为试样特征寿命,即P(N)＝６３．２％时试样的接触疲劳寿命.图５ ４．５GPa应力下试验钢接触疲劳寿命 Weibull分布曲线。

    将试验得到４．５GPa接触应力下试样的接触疲劳寿命代入式(１)中,得到 Weibull分布曲线如图５

所示,拟合得到VS为３．０４０×１０８周次,β为１．０５０.

当P(N)为１０％,５０％时,其对应的额定疲劳寿命L１０和中值疲劳寿命L５０的计算公式[１０]分别为

    将VS 和β 代入式(２)和式(３),计算得到试验钢的L１０,L５０分别为０．３５７×１０８周次,２．０８３×１０８周次.与文献[１０]中的数据相比,在相同高应力下其L１０,L５０,VS均提高一个数量级,这是由于试验钢渗氮层的表面硬度比文献中试样的高２００ HV 左右.

    渗氮层表面硬度的提高可有效抑制表面裂纹的萌生与扩展,从而提高渗氮试样的接触疲劳寿命[１２].

２．２．２ 滚动接触疲劳破坏机制

    经观察发现,试验钢的室温接触疲劳破坏模式有两种,即沿表面点蚀坑或划痕起裂(表面起裂)和因材料次表面退化而萌生裂纹(次表面起裂).由表１可以看出,表面起裂模式下剥落坑的平均直径及深度明显较大,说明表面起裂模式对试验钢接触疲劳寿命有较大的影响.

    由图６可以看出:在高压应力作用下,表面起裂试样在表面缺陷(如点蚀坑、划痕)处因应力集中而萌生裂纹,然后裂纹沿与表面切向成近３０°方向向内部扩展;当裂纹在扩展区中扩展时,裂纹扩展方向。

基本同试样表面切向成４５°;当裂纹扩展进入瞬断区时,因裂纹扩展速率很大,在循环应力作用下快速贯通表面而形成完整剥落坑.由图７可以看出,表面起裂试样裂纹扩展区中的二次裂纹沿脉状组织进行扩展.脉状组织的力学性能较差,有利于裂纹的扩展,因此表面起裂试样的接触疲劳寿命显著降低.

２．２ 膨胀法测定相变温度

    膨胀法测定钢的临界相变点是根据钢样在加热和冷却时,由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上,破坏了膨胀量与温度间的线性关系,最后根据热膨胀曲线上所显示的热膨胀的变化点来确定相变温度.图２为热轧态 Q３４５钢的热膨胀曲线和对应的一次微分曲线.

    滚动接触载荷下的材料响应可分为安定阶段、稳定阶段和不稳定阶段等３个阶段[１３Ｇ１４].在长时间循环应力作用下,尤其是当次表面受到高剪切应力作用时,试样发生应力Ｇ应变循环的棘轮效应,即试样表面在第一次加载后就产生塑性变形,但试样表面的残余应力、加工硬化和几何形状均可使材料处于安定状态;当进入第二阶段时,加工硬化阻止试样的进一步塑性变形,使材料处于稳态阶段,该阶段的时间长短直接影响试样的疲劳寿命;当进入第三阶段后,在循环应力作用下,试样次表面发生明显的微观塑性变形,导致次表面发生相变并产生较大的残余拉应力,使材料性能发生退化,因此疲劳裂纹萌生率提高[１３Ｇ１５].由图８可以看出:次表面起裂试样剥落坑底部存在裂纹,且最长裂纹的长度约为９．２μm;在剥落坑周围的部分表面也存在因长时间循环应力作用而萌 生 的 裂 纹,且 剥 落 坑 底 部 平 行 于 试 样表面.渗 氮 试 样 的 次 表 面 存 在 较 大 的 残 余 压 应力,导致裂纹不易在次表面萌生,但经长时间循环应力作用后,次表面材料不断发生加工硬化,造成次表面材 料 性 能 退 化,最 终 导 致 裂 纹 萌 生;同 时,材料微观塑性变形所产生的拉应力抵消了部分残余压应力,使其抑制裂纹扩展的能力减弱,因此裂纹萌生后便 平 行 于 试 样 表 面 扩 展;当 裂 纹 扩 展 到一定长度,且裂纹扩展速率足够大时,裂纹快速贯穿表面,从而形成剥落坑.

３ 结 论

    (１)３２Cr３MoVE渗氮轴承钢的有效渗氮层深度为３５０μm,渗氮层表面硬度为９３０HV;随距表面距离的增大,渗氮层残余压应力呈先增大后减小趋势,距表面３００μm 处的残余压应力最大,为６１０MPa;氮在扩散过程中与铬、铁形成 CrN、Fe４N 并在晶界处堆积,在渗氮层中形成沿晶界分布的白色脉状组织.

    (２) 利 用 双 参 数 Weibull 分 布 计 算 得 出３２Cr３MoVE渗 氮 轴 承 钢 在 ４．５ GPa 高 应 力 下 的Weibull斜率为１．０５０,滚动接触疲劳特征寿命、额定疲劳 寿 命、中 值 疲 劳 寿 命 分 别 为 ３．０４０×１０８,０．３５７×１０８,２．０８３×１０８周次.

    (３)３２Cr３MoVE渗氮轴承钢的滚动接触疲劳破坏模式包括表面起裂和次表面起裂两种,且表面起裂试样剥落坑的平均直径及深度均明显大于次表面起裂试样的;表面起裂试样沿表面点蚀坑或划痕处起裂,且裂纹扩展区中的二次裂纹沿脉状组织扩展;次表面起裂试样在长时间循环接触应力作用下,其次表面不断发生加工硬化,造成次表面材料性能退化,导致裂纹萌生.

（文章来源：材料与测试网-机械工程材料 > 2019年 > 9期 > pp.38）