GCr15SiMn貝氏體軸承鋼超聲滾壓表層組織與性能

安容升，程志,b*，潘金芝,b，陳春煥,b，劉鵬濤,b，任瑞銘,b

GCr15SiMn貝氏體軸承鋼超聲滾壓表層組織與性能

安容升a，程志a,b*，潘金芝a,b，陳春煥a,b，劉鵬濤a,b，任瑞銘a,b

（大連交通大學 a.材料科學與工程學院 b.遼寧省軌道交通關鍵材料重點實驗室，遼寧 大連 116028）

研究超聲滾壓加工對貝氏體軸承鋼的影響，并分析超聲滾壓工藝參數對貝氏體軸承鋼試樣表層組織及性能的影響規律，為提升貝氏體軸承表面性能提供理論及試驗依據。通過超聲滾壓加工前后試樣對比分析，確定超聲滾壓處理技術對貝氏體軸承鋼組織性能的提升；通過單因素試驗法，研究超聲滾壓工藝試樣組織、性能的影響規律；通過表面與截面組織相結合的方法，分析貝氏體軸承鋼組織的類別特征。根據試樣表面狀態可將原始試樣分為3類：細晶層存在表面微裂紋的截面組織、細晶層無裂紋的截面組織及無細晶層截面組織。超聲滾壓后，3類截面組織均產生塑性變形層，無細晶層截面組織形成的塑性變形層最厚。超聲滾壓處理后，存在于原始試樣表面的機加工紋理變細，犁溝變淺；試樣表面粗糙度降幅可達75%，試樣表面硬度增幅為4%，且試樣表面產生了約90 μm硬化層。相同靜壓力下，隨電流增加，試樣表面粗糙度顯著降低，塑性變形層顯著增加，硬度、硬化層深度增加但增幅較??；相同電流下，隨靜壓力增加，試樣表面硬度、塑性變形層深度、硬化層深度及表面硬度增加，粗糙度變化不大。

GCr15SiMn貝氏體軸承鋼；表面超聲滾壓處理；細晶層；表面性能；表層組織

在當今機械生產中，軸承由于其支撐設備各部分旋轉，降低運行中的摩擦從而保證旋轉精度的特點，被稱為“機械的關節”。而軸承的失效決定了機械的運行狀態甚至是運行安全，受到了廣泛關注。根據其失效形式的不同，可將軸承的時效類型分為強度失效、疲勞失效、腐蝕失效、磨損失效等[1-5]。其中滾動接觸疲勞有著很高的發生率[6]，它會使試樣在往復的應力作用下產生疲勞裂紋，進一步出現麻點剝落，最終完全失效。

研究表明，貝氏體鋼（主要為下貝氏體鋼）在維持較高硬度的同時，又具有很高的韌性，優異的綜合性能使其在抗滾動接觸疲勞方面展現出極大的優勢[7-10]，在軸承制造行業引起了廣泛關注。學者們研究了納米貝氏體鋼在滾動接觸條件下的疲勞行為及失效機理，發現其滾動接觸疲勞壽命比傳統的馬氏體鋼種甚至可以高出1倍[11-12]，微觀狀態下鐵素體板條之間保留著高碳殘余奧氏體薄膜，使得此種組織具有很高的硬度的同時具有很高的韌性，疲勞性能更加優異。然而，其制備過程較為繁瑣，一個完整的制備過程需約60 d甚至更久；且因其等溫轉變溫度很低，在長時間的等溫轉變過程中，碳從貝氏體鐵素體向奧氏體中的擴散一旦控制失準，容易導致室溫下殘余奧氏體的不穩定[13]。針對軸承鋼滾動接觸疲勞失效機制，對軸承鋼表面進行強化處理，可以在提高材料表面性能的同時，有效降低成本。超聲滾壓處理技術作為一種先進的表面強化方法，操作簡單，效率高，可以被應用于各種材料中，包括硬脆的陶瓷、金剛石材料及各種金屬材料，且其可以在提高材料表面粗糙度的同時，表面強度的提升遠遠優于傳統滾壓技術[14-17]。劉宇等[18]的研究表明，超聲滾壓技術作為一種新型的滾壓技術，可以極大程度上地消除材料表面的殘余拉應力，并引入殘余壓應力，更加有效地提升表面強度。Zhao等[19]發現鈦合金TC11經超聲滾壓處理后其高周疲勞壽命比未處理件提升了近19.3%，且它們的疲勞裂紋源差異顯著，未處理試樣裂紋源均位于表面或亞表面區，而經過超聲滾壓處理后的試樣裂紋源更靠近試樣中心位置，其原因為超聲滾壓后TC11表面晶粒得到細化且表面存在殘余應力及硬度層。Ye等[20]對304不銹鋼進行了超聲滾壓處理，處理后材料在100 μm處產生了高密度的變形孿晶，這些變形孿晶內存在大量位錯纏結和位錯源，使其硬度及殘余應力提高；此外，馬氏體占比沿深度方向呈現出梯度變化的特征，保證了界面強度，從而防止產生頸縮，在維持其高強度的同時保證了其塑性。超聲滾壓技術可以有效提升材料表面粗糙度，預置殘余壓應力，在提升材料滾動接觸疲勞性能方面表現出極大的潛力。但當前對貝氏體軸承鋼的超聲滾壓處理方面的研究，還未見報道。

本文選擇GCr15SiMn貝氏體軸承鋼座圈試樣，使用數控機床對其加工，分析試樣組織、性能在加工過程中的變化，并研究了超聲滾壓工藝對貝氏體軸承鋼試樣表層組織及性能的改變，為提升貝氏體軸承接觸疲勞壽命給出現實參考。

1 試驗材料與方法

本試驗采用GCr15SiMn貝氏體軸承鋼，圖1為試樣原始組織，其微觀組織為針狀貝氏體、球狀碳化物及微量殘余奧氏體。軸承座圈的厚度與內、外圈直徑分別為10、42、60 mm。

首先，對貝氏體軸承座圈端面進行超聲滾壓處理，所采用的華云豪克能H+CK6150型超聲滾壓數控車床實物圖及加工原理圖如圖2所示。由于設備超聲滾壓振動頻率為固定的29 kHz，進給量對試樣的影響很小，且主軸轉速是定值，故以上參數在此不作為變量單獨研究，只對電流和靜壓力對試樣組織及性能的影響進行研究分析，選取的工藝參數如表1所示。其中，電流變化主要影響超聲滾壓振幅，振幅范圍大致在5～8 μm。使用ZEISS SUPRA 55型場發射掃描電鏡對超聲滾壓處理前后試樣表面及截面層組織進行觀察。為了更好地利用掃描電子顯微鏡對試樣進行觀察，選擇硅溶膠機械化學聯合拋光的方法對試樣進行腐蝕[21]。利用JD520便攜式粗糙度測試儀測量試樣表面，每個試樣的測量隨機選取5個位置，取其平均值作為最終粗糙度值。由于試樣有效寬度為7 mm，而超聲滾壓加工條帶寬約5 mm，因此，測量時在超聲滾壓加工條帶中心處沿徑向方向選取2.5 mm進行測量以保證數值的有效性。利用SonoDur SONO-1M超聲波硬度儀、FM-700型顯微硬度測試儀對試樣表面洛氏硬度及表層硬度梯度進行測驗，顯微硬度試驗所加載荷為50 g，保荷時間為15 s。

圖1 試樣原始組織

圖2 超聲滾壓數控車床及原理圖

表1 超聲滾壓工藝參數

Tab.1 Ultrasonic rolling process parameters

2 結果與分析

2.1 試樣表面形貌對比

原始及超聲滾壓加工試樣的表面及三維立體形貌如圖3所示。由于不同超聲滾壓工藝下試樣的表面形貌差異不大，故選取7#試樣與原始試樣進行對比分析。如圖3a所示，原始試樣表面形貌存在粗大、深淺不一的犁溝狀機加工紋理，表現為高低不平的長條狀的凸峰和凹谷。條帶狀峰與谷的高度差決定了試樣的表面光潔度，因此，原始試樣表面粗糙度較大，為0.151 μm。圖3b為超聲滾壓處理后試樣表面形貌，試樣經加工后更加平整，表面條紋更加細小，犁溝更淺，磨削條紋間的距離減小，試樣光潔度顯著提高，粗糙度值降低為0.037 μm。圖3c～d為超聲滾壓處理前后試樣表面萊卡三維立體形貌，處理前試樣表面凹凸不平，表面粗糙度整體偏高，經超聲滾壓處理后，表面變得平整光滑，且表面粗糙度大幅降低。

2.2 試樣表面組織對比

未處理及處理后試樣表面組織的掃描電鏡照片如圖4所示，由于不同工藝下超聲滾壓處理后試樣表面組織分布規律較為相似，因此選擇7#試樣與未經處理的原始試樣表面比較。從圖4a可以看到，未經超聲滾壓處理的試樣磨削犁溝周圍可以清晰觀察到區別于原始基體組織的細晶組織，且犁溝深處存在細小的微裂紋，主要是由于軸承座圈在最終的磨削加工中造成的。試樣經超聲滾壓后，表面組織排布規律與原始試樣相同，同樣可分為基體組織及細晶組織，但表面犁溝明顯變細、變淺，且表面裂紋數量大幅下降，更加平坦。這是因為試樣材料在經超聲滾壓加工后，會出現少量的彈性回復和一定量的塑性形變，這種形變帶來的流動效應可以減少材料表面的高低差，大大降低了表面粗糙度，從而提升材料表面性能[22]。

圖3 試樣表面形貌及三維立體形貌：a、c）原始試樣；b、d）超聲滾壓處理后試樣

圖4 超聲滾壓處理前后表面組織

2.3 試樣表層截面組織

觀察試樣的微觀組織，可以總結整理出3種不同特征的組織結構。根據表面有無細晶層及是否有表面裂紋可將其分為以下3類：細晶層存在表面微裂紋的截面組織、細晶層無裂紋的截面組織和無細晶層截面組織。3類原始和其各自經超聲滾壓處理后對應的截面組織如圖5所示。

圖5a1對應的是表面細晶層無裂紋的原始截面組織，細晶層沿深度方向分布不均勻，平均厚度約2 μm。圖5b1為對應的超聲滾壓處理后截面組織，可以看到，經超聲滾壓處理后在試樣截面次表面存在塑性變形層，產生的塑性變形層厚度與表面細晶層厚度有關。表面細晶層越厚，在次表面產生的塑性變形層厚度越小，塑性變形層最厚處約1.5 μm。

圖5a2為細晶層存在表面裂紋的截面組織，表面破碎不平整且在深約1 μm處存在磨削裂紋，裂紋平行于表面發展。細晶組織分布于裂紋兩側，且在細晶層下部存在約0.5 μm厚的塑性變形層，可以看到此類原始截面組織沿深度方向上組織均勻性較差。圖5b2是對應的超聲滾壓處理后截面組織。觀察發現，原存在裂紋位置的表面細晶產生了剝離，在試樣表面產生淺層剝離，由于表面沒有細晶層抵抗塑性變形，所以在超聲滾壓處理作用下，塑性變形層較厚，約2 μm，去除原始組織中已經存在的約0.5 μm厚的塑性變形層，其經超聲滾壓處理后產生的塑性變形層厚度約為1.5 μm。

圖5a3為無細晶層的原始截面組織，表面較為平整，幾乎無細晶層且無微裂紋，截面組織沿深度方向無組織形態的變化，形態較為均勻。此類截面組織經超聲滾壓處理后的形態如圖5b3所示，可以觀察到試樣表面產生了明顯的塑性變形層，流變方向一致，厚度約1.8 μm。

總結這3類原始及超聲滾壓處理后截面組織的表面微裂紋、細晶層和塑性變形情況，并結合表面組織觀察可以發現，表面微裂紋一般出現在細晶區；細晶層越厚，超聲滾壓處理后預置的塑性變形層越不明顯，厚度越??；無細晶層時，超聲滾壓預置塑性變形層最容易，厚度最大。表面細晶層是由于試樣經最終加工工序，即磨削加工過程中由于磨削熱和磨削力作用產生的一種硬而脆的組織。研究發現，磨削層內易出現微裂紋，使得表面質量下降、抗疲勞性能和疲勞壽命降低[23-24]。因此，經磨削產生的裂紋一般出現在細晶區，而無細晶處截面組織一般無裂紋。

圖5 試樣截面組織：a1）表面細晶層無裂紋的原始截面組織；a2）細晶層存在表面裂紋的原始截面組織；a3）無細晶層的原始截面組織；b1～b3）3類原始截面對應的超聲滾壓加工試樣截面組織

2.4 工藝參數對試樣表面粗糙度的影響

測量試樣表面粗糙度，得到原始試樣的表面粗糙度約為0.151 μm，經超聲滾壓處理后，試樣表面粗糙度在不同工藝下的值為0.037～0.074 μm，最高可降低75%。不同超聲滾壓工藝下得到的試樣表面粗糙度值及其變化趨勢如圖6a～b所示，圖6a是靜壓力恒為200 kg時，不同電流對試樣表面粗糙度值的影響；圖6b為電流恒定為1.5 A時，不同靜壓力對試樣表面粗糙度的影響。根據圖中的曲線變化不難發現，試樣的值隨電流的增加逐漸下降，且下降趨勢顯著；而隨著靜壓力的增加，試樣值降低幅度很低，且有極小值，繼續增加靜壓力時值保持不變。超聲滾壓工藝中，電流與靜壓力對試樣表面粗糙度的影響程度不同。相比于靜壓力，電流在超聲滾壓處理中對試樣表面粗糙度的改善效果更好。這是因為電流增加，超聲滾壓過程中產生的振幅和頻率增加，在試樣表面施加的動態載荷加大，從而更加有效降低表面粗糙度[25]。

目前已有研究得出，軸承材料表面粗糙度的大小是影響滾動軸承接觸疲勞壽命的重要因素[26-27]。一方面，在軸承運轉過程中，表面粗糙度會影響油膜形成能力甚至改變潤滑機制[28]，從而影響軸承疲勞壽命；另一方面，表面粗糙度會影響接觸面載荷分布從而提高疲勞壽命。軸承試樣運行過程中，微觀層面上試樣表面峰先于谷被接觸，表面峰處受到更高的載荷，故在峰位置的受力更加集中，從而加快此處的疲勞進程。因此，一般情況下，表面粗糙度與接觸疲勞壽命的大小成反比。表面超聲滾壓處理會改善試樣表面峰谷間的差距，產生良性的塑性流變來改善表面峰的受力情況，從而大幅提高軸承工作能力。

圖6 不同超聲滾壓工藝對應試樣表面粗糙度

2.5 工藝參數對試樣表面及表層硬度的影響

采用超聲波硬度計原始及超聲滾壓處理后試樣表面進行了洛氏硬度測量。結果表明，通過對原始不同位置多次進行測量，測得的表面洛氏硬度值差距較大，其值為58～60.9HRC，差值約3HRC，平均為59.8HRC。經超聲滾壓處理后，試樣表面洛氏硬度值范圍為61.8～63.5HRC，差值為1.7HRC?？梢钥闯鲈荚嚇颖砻娌煌恢糜捕戎档碾x散程度較大；試樣經超聲滾壓處理后，試樣表面硬度的離散度顯著降低。圖7為不同超聲滾壓工藝參數下試樣表面硬度的變化情況：固定靜壓力僅增加電流時，試樣表面硬度小幅上升，上升幅度約為0.4HRC；電流不變，靜壓力增大時，試樣表面硬度增幅明顯，達到1.4HRC。不難看出，靜壓力對試樣表面硬度的提高效果大于電流。

采用顯微硬度儀原始及超聲滾壓處理后試樣表層160 μm深度范圍內顯微硬度進行了測量，結果如圖8所示。為了排除試樣表面測量時出現的誤差，選取的初始位置為距表面30 μm處?？梢钥吹?，原始試樣在初始測量點的顯微硬度最高，為697HV，隨深度的增加其值略有降低，至60 μm處保持平穩，平均值為688HV。經處理后，試樣表面顯微硬度值顯著提升，并隨著深度增加顯微硬度值下降明顯，在90 μm處其值趨于穩定并與原始試樣值基本一致。試樣經超聲滾壓處理后產生了約90 μm的硬化層，且產生的硬化層深度較穩定，工藝參數的改變對其影響不大。觀察各工藝參數下硬度梯度曲線發現，圖8a中硬度梯度曲線重合度較高，只改變電流時，隨其增加硬度略有增加，硬化層深度隨電流工藝的改變量較??；圖8b中硬度梯度曲線重合度較低，只改變靜壓力時，不僅硬度隨靜壓力的增幅較高，硬化層深度也存在小幅增加。高頻的表面動載會對試樣造成加工硬化及壓縮形變，這會引起試樣晶粒組織細化，且使材料表面引入殘余壓應力[29]。殘余壓應力的引入會提高試樣表面的硬度，且殘余應力值越高，試樣表層顯微硬度越高[30]。根據現有研究發現證明，表面顯微硬度是影響材料疲勞性能的主要因素，表面顯微硬度越高，試樣疲勞性能越好[31]。因此，超聲滾壓技術可以通過提高試樣表面硬度的方式提高試樣滾動接觸疲勞壽命和工作能力。

圖7 超聲滾壓不同工藝試樣硬度變化

圖8 不同工藝超聲滾壓前后試樣表層顯微硬度梯度

2.6 不同工藝參數下塑性變形層變化規律

如前所述，細晶層越厚，超聲滾壓處理后預置的塑性變形層越不明顯，厚度越??；無細晶層時，超聲滾壓預置塑性變形層最容易，厚度最大，因此無細晶層截面組織的試樣經超聲滾壓處理后產生的塑性層最明顯。故選擇無細晶層截面組織的試樣進行不同超聲滾壓工藝的對比，探究不同工藝對試樣塑性變形層的影響，圖9為對應的截面組織。本次試驗中選取的工藝參數分別為3#、7#、9#，對應圖中的b～d截面組織，a為原始組織。3種工藝參數已在圖下標注，工藝編號越大，代表著工藝參數越高。

選取的原始試樣組織均勻，表面未發現明顯的塑性變形層，貝氏體分布較為雜亂且無明顯流變現象。3種工藝下超聲滾壓處理后的試樣均產生了表面塑性流變層，其中3#工藝處理產生的塑性變形層厚度最小，約1 μm；9#工藝處理下產生的塑性變形層厚度最大，約為2 μm；7#工藝處理產生的塑性變形層厚約1.5 μm?？芍?，電流與靜壓力越大，超聲滾壓處理產生的塑性變形層越深。

圖9 試樣不同工藝處理截面組織

3 結論

1）根據試樣表面有無細晶層和表面有無裂紋情況將其分為3類：細晶層存在表面微裂紋的截面組織、細晶層無裂紋的截面組織及無細晶層截面組織。經超聲滾壓處理后，這3類截面組織均形成了塑性變形層。表面微裂紋一般出現在細晶區；細晶層越厚，超聲滾壓處理后預置的塑性變形層越不明顯，厚度越小，且產生的塑性變形層存在于次表面；無細晶層時，超聲滾壓預置塑性變形層最容易，厚度最大。

2）超聲滾壓處理后試樣表面更加平整，機加工紋理明顯更加細小，犁溝深度變淺，表面粗糙度由原始的0.151 μm降低至最低0.037 μm，降幅最高為75%。超聲滾壓工藝中，電流對試樣表面粗糙度的影響更大。

3）超聲滾壓處理可以改善試樣表面硬度分布，減小試樣不同位置表面硬度值之間的差值。原始試樣表面洛氏硬度為59.8HRC，處理后提升為62.5HRC，提升幅度為4%。原始試樣顯微硬度隨深度增加變化不大，經超聲滾壓處理后，試樣表層預置了約90 μm硬化層，且在深度方向上存在硬度梯度。靜壓力對試樣硬度的影響最大。

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Effect of Ultrasonic Rolling Process on Surface Microstructures and Properties of GCr15SiMn Bainitic Bearing Steel

a,a,b*,a,b,a,b,a,b,a,b

(a. School of Material Science and Engineering, b. Key Laboratory of Key Material of Rail Transit in Liaoning Province, Dalian Jiaotong University, Liaoning Dalian 116028, China)

In contemporary mechanical production, bearings are referred to as "mechanical joints" because they support the rotation of various equipment components, reduce friction during usage, and ensure rotational precision. The failure of bearings, which affects the machine's operational state and potentially its safety, has drawn a lot of attention. Bainitic steel (especially lower bainitic steel) demonstrates significant benefits in rolling contact fatigue resistance due to its high hardness, toughness, and excellent comprehensive qualities. This work involved applying the ultrasonic rolling method to the surface treatment of bainitic bearing steel and examining how it affected the surface microstructures and properties of the GCr15SiMn bainitic bearing steel. The surface microstructures and properties of the race specimens of bainite bearings were compared and analyzed before and after the ultrasonic rolling treatment, and the effects of different ultrasonic rolling processes (current and static pressure) on the surface microstructures and properties of the samples were investigated, which offered a theoretical and experimental foundation for enhancing contact fatigue resistance and service life of GCr15SiMn bainite bearings. The three-dimensional morphology, surface morphology and cross section of the sample surface before and after ultrasonic rolling were observed with a Leica three-dimensional microscope and a scanning electron microscope, and the surface roughness and microhardness were measured with a roughness meter and a microhardness tester. The surface and cross-sectional microstructures of samples subjected to ultrasonic rolling with different parameters were analyzed. The results indicated that the surface condition of the original samples could be categorized into three types: cross section with surface microcracks in the fine-grained layer, cross section without cracks in the fine-grained layer, and cross section without the fine-grained layer. The ultrasonic rolling process created a plastic deformation layer in the three types of cross sections, and the thickness of the resulting plastic deformation layer was proportional to the fine crystalline layer of the surface, with the cross section without the fine-grained layer possessing the thickest layer. The cross section with surface microcracks in the fine-grained layer was fragmented and uneven, and there were grinding cracks at a depth of approximately 1 μm that extend parallel to the surface. The fine-grained structure was distributed on both sides of the crack, and the lowest portion of the fine-grained layer contained an approximately 0.5 μm thick plastic deformation layer. The surface of the original cross section without the fine-grained layer was generally flat, with nearly no microcracks, and there was a uniform structure morphology along the depth direction. After ultrasonic rolling, the surface's machined texture became thinner, and the furrow became shallower. The surface roughness of the sample decreased by 75%, the surface hardness of the sample increased by 4%, and the sample surface created a hardened layer of approximately 90 μm. Although the depth of the hardened layer and surface hardness of the sample increase with an increase in static pressure, the depth of the plastic deformation layer, the hardened layer, and the surface hardness of the sample decrease significantly with the increase of current. However, the depth of the hardened layer and surface hardness of the sample increase significantly with the increase of static pressure.

GCr15SiMn bainitic bearing steel; surface ultrasonic rolling treatment; fine-grained layer; surface properties; surface structure

2022-11-16；

2023-04-07

V261.2

A

1001-3660(2023)10-0430-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.039

2022-11-16；

2023-04-07

航空科學基金（實驗室類）項目；航空科學基金（20200036064001）

Aviation Science Foundation (Laboratory) Program; Aeronautical Science Foundation (20200036064001)

安容升, 程志, 潘金芝, 等. GCr15SiMn貝氏體軸承鋼超聲滾壓表層組織與性能[J]. 表面技術, 2023, 52(10): 430-438.

AN Rong-sheng, CHENG Zhi, PAN Jin-zhi, et al. Effect of Ultrasonic Rolling Process on Surface Microstructures and Properties of GCr15SiMn Bainitic Bearing Steel[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 430-438.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：萬長清