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          瀏覽:- 發布日期:2021-11-24 09:44:24【




          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,滲氮層殘余壓應力呈先增大后減小趨勢,距表面300μm 處的殘余壓應力最大,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 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接觸應力作用下,次表面材料性能退化,導致裂紋萌生.

             關鍵詞:軸承鋼;高應力;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中負載最高的結構材料,其 局 部 應 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、優異的 耐 高 接 觸 應 力 和 耐 高 溫 等 性 能,其 中32Cr3MoVE鋼因 其 優 異 的 綜 合 性 能 而 廣 泛 應 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 滾 動 接 觸疲勞現象[1G5].因此,需通過表面改性技術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 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 生 應 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動機主軸承接觸應 力 進 行 模 擬 計 算,得 到 最 大 接 觸 應 力在2GPa左 右.目 前,有 關 滾 動 接 觸 疲 勞 的 研 究主要集中在 材 料 表 面 受 應 力 的 影 響 上,鮮 見 材 料次表面受應力影響方面的報道.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.

          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 量 分 數/%)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.滲氮結束后,將滲氮試樣剖開,經打磨、拋

          光,用體積分數 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)進行微區成分分析.按照 GB/T11354—2005,采用 FMG300型顯微硬度計由表面至內部每隔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射線應力分析儀由表面至內部每隔50μm測縱向殘余應力,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力設置為4.5GPa,遠高于航空發動機主軸承2.0~2.5GPa的工作應力上限.





             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 試驗結果與討論

          2.1 滲氮層硬度、殘余應力及顯微組織

              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,最終硬度穩定在450HV左右,有效滲氮層深度為350μm;滲氮層的殘余應力為壓應力,且隨距表面距離的增大,殘余壓應力先增大后減小,距表面300μm處的殘余壓應力最大,為610MPa.

              由圖4可以看出:滲氮層中出現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擴散以及晶界處合金元素的偏析有關.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

               根據文獻[10G11],利用雙參數 Weibull分布計算材料接觸疲勞特征壽命,Weibull分布函數為式中: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]中的數據相比,在相同高應力下其L10,L50,VS均提高一個數量級,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

              經觀察發現,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:在高壓應力作用下,表面起裂試樣在表面缺陷(如點蝕坑、劃痕)處因應力集中而萌生裂紋,然后裂紋沿與表面切向成近30°方向向內部擴展;當裂紋在擴展區中擴展時,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時,因裂紋擴展速率很大,在循環應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鋼樣在加熱和冷卻時,由于相變引起的體積效應疊加在膨脹曲線上,破壞了膨脹量與溫度間的線性關系,最后根據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 Q345鋼的熱膨脹曲線和對應的一次微分曲線.