表面完整性对精硬车及磨削轴承套圈疲劳寿命的影响

在航空、国防、风电及油气工业应用的轴承常需在极端工况(如重载、高温、高速、恶劣环境)下运行，因此将轴承钢(如AISI 52100)进行热处理来获得马氏体显微组织，以提供高的强度及硬度，进而得到优异的滚动接触疲劳(RCF)性能及耐磨性，之后通过精加工工艺(即磨削、硬车或超精)得到成品轴承零件。硬车与磨削相比具有诸多优势，包括环保、高柔性、能制造形状复杂的零件。这些精加工工艺因热机械材料去除机制显著影响表面完整性，因轴承钢套圈的机加工表面完整性影响套圈的疲劳性能，其常受到轴承制造商的重点关注。Shi等对机加工轴承零件提出了两步切削(粗车+精车)作为新的加工方法，发现精车可改善RCF性能。Mai?等提出了车-滚压复合工艺来加工滚子轴承。

轴承的疲劳寿命受套圈的RCF寿命控制。次表面起源型剥落被认为是具有光滑表面且在弹流动力润滑(EHL)条件下工作的轴承RCF的主要失效模式，在EHL接触中，表面粗糙度对疲劳寿命具有重要影响。Grzesik报道了由硬车、磨削、超精及各向同性精加工工艺产生的表面形貌明显影响摩擦、疲劳、腐蚀等。硬车具有产生较低表面粗糙度的优势，表面粗糙度还可使用多半径刀头代替常规刀头加以改善。在精硬车加工中，尺寸精度及表面粗糙度Ra可分别达到IT5及0.1 μm。Mai?等指出了与单一工艺相比，车-滚压复合工艺缩短工艺链并改善表面粗糙度。Jouini等的研究显示了精硬车成形的AISI 52100轴承零件的疲劳寿命因其表面粗糙度的降低而提高。

硬车及磨削能引起表层中的显微组织变化，这些变化是由局部、强烈、快速的热及力学载荷引起的冶金学转变，其常作为白亮层及黑色层被提起，深度限于数十微米。抛光并浸蚀后的白亮层在光学显微镜下呈白色，特征是硬度高于黑色层及基体材料；TEM研究揭示了白亮层由纳米及亚微米级显微组织构成，晶粒尺寸小于100 nm。Schwach等报道了硬车形成的白亮层对RCF寿命有害，白亮层越厚，RCF寿命越短。许多学者阐述了白亮层的形成机理。Griffiths 提出了白亮层的3种形成机理：1)由于快速加热及冷却产生的相变；2)严重的塑性变形产生非常细小的晶粒结构；3)表面与环境物质产生反应。Ramesh等建议：在低中切削速度下由硬车产生的白亮层本质上是由于晶粒细化；在高切削速度下形成的白亮层主要是由于热驱动相变。另外，Hosseini等对硬车产生的白亮层形成机理研究揭示了根据切削期间产生的温度(其为切削速度的函数)，白亮层的形成既可通过SPD机械诱发，也可通过相变的热诱发。Zhang等的研究显示了黑色层由回火过程产生。Mao等研究了AISI 52100钢磨削产生的白亮层的形成机理，发现在低于相变最低温度下可形成残余奥氏体及白亮层。Guo等的研究显示了硬车及磨削产生的白亮层及黑色层的特征在显微组织、显微硬度及化学成分等方面有所不同。

根据残余应力的压缩或拉伸特征，其可改善或劣化轴承的滚动疲劳寿命。Abro等对比了车削与磨削淬硬轴承钢试样的表面完整性，结果表明：硬车比磨削产生更深、更大的残余压应力。Zhang等研究了切削速度对白亮层和黑色层残余应力及显微组织的影响，结果显示：低切削速度时白亮层中的残余压应力实质上由塑性变形及白亮层显微组织产生；高切削速度时白亮层中的残余拉应力主要由切削热引起。Jomaa等的研究显示了硬车诱发的残余应力为压应力，其大小受切削速度及进给速率的强烈影响。Revel等指出了精硬车在表面及次表面产生残余压应力，且高的切削速度导致更大的残余压应力。

在作者以前的研究中，AISI 52100轴承套圈由精硬车成形。用精硬车代替磨削作为套圈的终加工工艺至少可得到与磨削相当的RCF性能，为了对比，环形试样终磨至所要求的Ra=0.2 μm，该值是轴承制造商为确保轴承具有合适性能而设定的Ra目标值。目前的工作目的是研究精硬车终加工套圈的表面完整性(某种程度上类似于磨削加工的套圈)及其对RCF寿命的影响。首先详述了试验过程，然后对试样的表面完整性(包括表面粗糙度、显微组织及残余应力)进行分析，最后讨论了表面完整性对RCF寿命的影响。

1 试验过程

本研究所用试样由AISI 52100制造，热处理至60～62 HRC的平均硬度，该钢的化学成分见表1。能量色散X射线光谱仪用于热处理后AISI 52100钢的定量相分析。所研究材料具有马氏体组织，存在的碳化物为4.6%，残余奥氏体(γ相)几乎为零(<1%)，见表2。

表1 AISI 52100轴承钢的化学成分 wt%

表2 热处理后AISI 52100轴承钢的相组成 %

精硬车在高精度车床上完成，车床样机由SnecmaTM Motor设计，由法国国家科研中心Roberval实验室研制并用于加工淬硬钢。使用CBN镶嵌刀头在干切削状态下进行加工，每次试验使用一个新刀头。刀头固定在刀架(编号为DCLN 2525 M12)上，由此得到：前角γ=-6°,倾角λs=-6°,刃角κr=95°,后角α=6°。加工状态(如以前研究中给出)为：切削速度Vc=210,260 m/min；进给速率f=0.05,0.1 mm/r；切削深度ap=5,10 μm。

为了对比，环形试样终磨至所要求的Ra=0.2 mm，该值是轴承制造商为确保轴承具有合适性能而设定的优先Ra目标值。磨削试验由Microrectif公司完成，采用CNC磨床加工磨削试样，砂轮为120及220目的陶瓷Al2O3砂轮，由法国机械工业技术中心(CETIM)完成磨削试样的表面粗糙度测量，证实Ra≈0.2 μm。

采用KLATencorTM的P-10触针式轮廓仪测量精硬车试样的表面粗糙度，触针针尖半径2 μm，载荷50 mN。

采用砂轮切割机及精密切片机Struers Discotom 5沿垂直于机加工表面的方向将机加工后的AISI 52100试样切开，横截面采用标准的金相工艺制备。实际上，SEM测试用试样固定在PolyFast树脂中。然后采用逐步变细的180,320,600,1 000及1 200目砂纸相继轻磨，并依次采用颗粒尺寸6,3及1 μm金刚石抛光。之后采用2%硝酸溶液浸蚀约10 s。SEM分析采用Philips XL30 ESEM-FEG完成。

使用称之为PRECIX的机器人系统利用X射线衍射法在机加工表面及深度方向上测量精硬车及磨削产生的残余应力。采用在钢的{211}晶面以2θ=156°衍射的Cr-Kα射线提取测量结果。然后根据EN-15305标准，X射线的穿透深度为机加工表面下6 μm。对每个方向使用了7个入射角Ψ(Ψ=0及6Ψ>0)在sin2Ψ轴上获得等间隔，且0≤sin2Ψ≤0.45。使用化学浸蚀及电化学抛光连续去除表层来得到残余应力沿深度方向的分布。

2 结果及讨论

2.1 表面粗糙度

根据以前的研究，通过将方差分析(ANOVA)、判别分析及自举法结合，提出了原创方法来选择最相关一对的粗糙度参数。Ra及Lr参数在最佳判别切削参数对精硬车表面的影响方面显示出其相关性。在目前的研究中，表面粗糙度Ra平均值根据评估长度计算，表面粗糙度Ra平均值随评估长度ε的演化(log-log坐标系)如图1所示，其为8次试验(3参数，2水平)的计算结果。在渐进阶段，Ra不再依赖于评估长度，且在0.1～0.45 μm的范围内变化；评估长度分别为7 000 μm及80 μm时，Ra均达到相对稳定值(0.1～0.45 μm)。表面粗糙度Ra对所研究的切削参数(切削速度、进给速率、切削深度)及其水平均敏感，通过合适选择切削参数，精硬车可达到非常低的表面粗糙度Ra=0.1 μm。借助于等轴侧视图及SEM图像可将精硬车产生的表面形貌可视化(图2)。粗糙峰之间的平均间距RSm(其约为进给印痕间距测量值)一般约等于进给速率。如图2所示，表面形貌包括可见的进给印痕，且这些印痕之间会出现一些峰与谷，使RSm值变小，对50 μm/r的进给速率，RSm=10 μm。当使用较低的进给速率(f=40 μm/r)时，Grzesik等也观察到这一事实。另外，这种结构事实上是不规则碎片形，因为一个自仿射分形形貌代表Ra与Sm之间的完美联系。这种联系具有重要意义：无论何种切削条件，粗糙峰间距及幅值粗糙度以相同的关系呈线性变化，这种性能是高精度硬车所独有。

图1 Ra随评估长度ε的演变

图2 在Vc=210 m/min, f=0.1 mm/r, ap=5 μm条件下精硬车产生的表面形貌

2.2 显微组织分析

对于SEM分析，使用标准金相技术制备了终加工后的横截面试样。对精硬车及磨削试样进行的显微测试揭示了在次表面存在金相转变，如图3所示。对精硬车试样，如图3a所示的受影响层由在表面形成的薄白亮层及其下的转变区构成，白亮层厚度<1 μm，明显不同于其他文献所讨论的在硬车中形成的白亮层厚度(3～12 μm)。这可归之为所使用的低进给速率(50～100 μm/r)，尤其是较小的切削深度(5～10 μm)，而常规硬车的切削深度常为0.1～0.3 mm。精硬车得到的这一非常薄的白亮层可能对RCF寿命有益，Schwach等的研究也显示：白亮层厚度增加，疲劳寿命下降。转变区为过回火马氏体，因为马氏体在切削期间暴露于超过回火温度的高温中。过回火层的平均硬度为5 GPa，约比基体材料软30%。另外，转变区有分散分布的碳化物，SEM-EDS分析显示这些碳化物为球状碳化物(Fe,Cr)3C。碳化物颗粒布满受影响层，白亮层与转变区的碳化物尺寸及数量并不相同，转变区中分布的碳化物颗粒远多于白亮层中的。

图3 次表面显微组织

对于磨削试样，如图3b所示，在基体材料之上的最外表面仅产生厚度为5 μm的白亮层，这一厚度远大于精硬车的白亮层厚度，与Guo等对硬车及磨削所进行的对比试验结果一致。

2.3 残余应力

在周向及切向均进行了残余应力测量，如图4所示，精硬车产生的残余应力呈鱼钩状分布，表面为残余压应力，最大残余压应力位于次表面，如一般精硬车所观测的那样。在加工表面产生的周向及切向残余应力分别为-120 MPa及-437 MPa，随表面下深度增加，二者分别在25 μm及30 μm处达到最大值-680 MPa及-800 MPa；当深度继续增加，残余压应力减小，与周向残余应力相比，切向残余应力为压应力。另外，2个方向的残余应力在表面总是压应力，且最大值位于转变区。

图4 精硬车后的残余应力分布

磨削产生的残余应力如图5所示，周向及切向均为残余压应力，最大值位于加工表面(周向-186 MPa，切向-444 MPa)且从次表面深度15 μm起逐渐变成拉应力(基体材料中)。然后残余应力稳定在约50 MPa的基体材料水平。

图5 磨削后的残余应力分布

概括起来，精硬车及磨削工艺均在表面产生残余压应力。但在加工表面下，精硬车产生峰值残余压应力，且在白亮层下形成转变区；磨削在深度15 μm以下的基体材料中产生拉应力。众所周知，次表面残余压应力对疲劳寿命有益。

2.4 RCF性能

2.4.1 双环试验机

在CETIM的双环试验机上进行了RCF试验，以再现两齿轮齿之间或滚动体(球或滚子)与套圈之间的接触。在凸度上环(半径17.5 mm)与圆柱下环之间形成接触，双环试验机示意图及环形试样几何形状如图6所示。

图6 双环试验机示意图(上)及环形试样几何形状(下)

RCF试验在纯滚动条件(SRR=0)下进行，使用Mobil Gear 629油进行喷油润滑。运行工况见表3。当在表面检测到剥落(利用2个接近Hall-effect传感器)或达到1×107 r时试验自动停止。为了评估精硬车及磨削试样的接触疲劳寿命，在相同条件下对每种试样进行2次试验，即一个滚道试验1次。

表3 RCF试验运行工况

2.4.2 跑合过程

为了突出初次运行循环期间的跑合过程，进行了间断试验。实际上，在开始试验的(2～3)×104 r期间存在环形试样几何形状的演变，尤其是接触区尺度的局部半径，如图7所示。跑合后，凸度环半径Rz1及圆柱环半径Rz2一直保持稳定到试验结束。局部半径Rz1及Rz2的这种变化增加了接触面积，因为试验在11 kN的恒定载荷下进行，所以最大接触应力下降。初始及跑合后的Rz1, Rz2, Rzeq见表4。

图7 环形试样半径Rz1及Rz2的变动

表4 接触几何的演变

2.4.3 疲劳寿命

精硬车及磨削试样的RCF寿命试验在表3提到的运行工况下进行，试样RCF寿命随着接触应力的变化如图8所示，跑合后的最大接触应力从4.5 GPa降至3.8 GPa(稳定后的几何形状)。精硬车试样(Ra=0.1 μm)以及磨削试样(Ra=0.2 μm)的RCF寿命分别达到5.2×106 r及1.2×106 r，因此精硬车试样的疲劳寿命为磨削试样的400%以上。这种提高可能是因为精硬车所达到的低表面粗糙度(Ra=0.1 μm)以及次表面残余应力状态，精硬车的残余应力为压应力且在10～50 μm深度处达到最大值，而磨削在该深度处为拉应力。无论如何，由于为循环滚动接触加载，在次表面区域观察到残余应力分布的变化，且这种变化会影响轴承RCF寿命，因此，研究了磨削试样的残余应力演变。

图8 精硬车与磨削试样的疲劳寿命对比

2.4.4 RCF试验期间残余应力的演变

为了评估跑合后及剥落后的残余应力演变，在轴承滚道上测试了残余应力，采用的铅罩使X射线束的光斑尺寸等于滚道宽度。X射线束的限制装置如图9所示；跑合后及剥落后周向和切向残余应力的分布分别如图10和图11所示，在跑合后及剥落后加工表面的残余应力仍为压应力。图10揭示了当表面下深度<140 μm时，RCF试验期间周向残余应力无任何变化，然而从140 μm开始，残余应力演变明显变化且显示出峰值压应力。实际上，跑合后及剥落后的最大残余应力分别为-426 MPa(深度427 μm)及-670 MPa(深度580 μm)。文献[36]显示了内圈在3.28 GPa的接触应力下旋转2×109 r后周向残余应力的值为-900 MPa，深度为250 μm。

图9 将X射线束限制为滚道宽度的装置

图10 RCF试验期间周向残余应力的演变

图11 RCF试验期间切向残余应力的演变

在整个深度上切向残余应力一直在演变，不论是在较浅的深度(10～140 μm)或是在次表面深度(>140 μm)，如图11所示。深度较浅时残余应力为拉应力，最大值从磨削后40 μm处的80 MPa到跑合后115 μm处的247 MPa再到剥落后100 μm处的418 MPa。从140 μm开始，残余应力变为压应力，跑合后其峰值-527 MPa在447 μm处，剥落后其峰值-700 MPa在750 μm处。周向及切向残余压应力最大值所处的深度对应于暴露于最大切应力内的次表面材料体积。

概括起来，这些结果显示：

1)RCF试验期间，在次表面深度(>140 μm)观测到磨削试样残余压应力的增加，且这样的残余应力变化对轴承RCF寿命产生有益影响。

2)精硬车试样具有磨削试样4倍以上的疲劳寿命。

3)精硬车改善表面完整性，如低的表面粗糙度(Ra=0.1 μm)及RCF试验前深度较浅处的次表面残余压应力。

3 结论

研究了精硬车及磨削加工的AISI 52100试样的表面完整性及其对RCF寿命的影响，主要结果概括如下：

1)合适选择切削参数时精硬车可获得非常低的表面粗糙度(Ra=0.1 μm)，且产生次表面残余压应力，RCF试验前最大残余应力处于10～50 μm(对应于厚度<1 μm的薄白亮层下形成的转变区)。

2)RCF试验前，磨削从深度15 μm起(对应于基体材料)产生次表面残余拉应力。

3)在RCF试验期间，测量了跑合后、剥落后(试验终止时)磨削试样的残余应力，以研究其演变。残余应力在次表面以下140 μm开始显示出峰值压应力，这样的残余应力变化可对疲劳寿命产生有益影响。

4)在双环试验机上进行的RCF试验显示：精硬车试样具有磨削试样4倍以上的疲劳寿命，其归之于所达到的表面粗糙度低(Ra=0.1 μm)以及试验前深度较浅处的次表面残余压应力。