表面爆炸噴涂WC涂層對GCr15軸承鋼抗疲勞性能的影響

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(1.三峽大學大學生素質(zhì)教育中心(創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學院)，宜昌 443002； 2.武漢紡織大學機械工程與自動化學院，武漢 430200；3.宜昌長機科技有限責任公司，宜昌 443002)

0 引 言

軸承鋼主要用于制造滾動軸承、軸承滾珠滾柱、軸承套圈以及其他軸承零部件等[1-2]，其失效形式主要包括靜強度失效、摩擦磨損失效、疲勞失效等[3-5]，因此對軸承鋼的耐磨性能、抗疲勞性能等提出了較高的要求。表面改性技術(shù)能夠提高軸承鋼的耐磨性能和抗疲勞性能。前期研究表明，表面改性對GCr15軸承鋼的摩擦磨損性能和硬度有較大的改善[6-7]，但對其抗疲勞性能的影響還未進行充分的研究。表面狀態(tài)對鋼的抗疲勞性能有重要的影響[8-9]。王清遠等[10]在研究等離子滲氮技術(shù)對馬氏體時效鋼和高碳鉻軸承鋼抗疲勞性能的影響時發(fā)現(xiàn)，等離子滲碳可顯著提高馬氏體時效鋼的疲勞強度，但會降低高碳鉻軸承鋼的疲勞強度，而對于該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并未做相關(guān)的說明。針對上述問題，并結(jié)合前期所做的關(guān)于磁控濺射TiN鍍層對GCr15軸承鋼摩擦磨損性能的研究結(jié)果[6-7]，作者選擇了對工件熱損傷較小的爆炸噴涂技術(shù)[11]來進一步研究表面改性對軸承鋼抗疲勞性能的影響機理，這可以為工程應(yīng)用提供更多的試驗數(shù)據(jù)。

爆炸噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、冶金等領(lǐng)域，其重要特點為對工件熱損傷小。該技術(shù)采用脈沖式噴涂，工件每次受熱氣流沖擊的時間短，氮氣或壓縮空氣對工件起到冷卻作用，使得爆炸噴涂時工件的溫升控制在100 K以下，因而不會發(fā)生組織相變和變形。目前，國內(nèi)爆炸噴涂中應(yīng)用最廣的為WC涂層[11]。因此，作者利用爆炸噴涂技術(shù)在GCr15高碳鉻軸承鋼表面制備WC涂層，研究該涂層對其抗疲勞性能的影響，并分析了爆炸噴涂對高碳鉻軸承鋼抗疲勞性能的影響機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為由某公司提供的GCr15軸承鋼，測得其硬度為283 HV，抗拉強度為861.3 MPa ，屈服強度為540 MPa。按照GB/T 4337-2008，加工出20根疲勞試樣，其形狀與尺寸如圖1所示。采用600#～1200#砂紙對試樣及其變截面處進行逐級打磨。拋光后，將疲勞試樣均分成兩組。采用烏克蘭“第聶泊”爆炸噴涂技術(shù)對其中一組試樣變截面處噴涂一層厚度為0.05 mm的WC涂層，噴涂材料為WC-12%Co(質(zhì)量分數(shù))粉末，噴涂時O2、C2H2、N2的體積比為2.5∶2.0∶0.8[11]；另一組試樣不做處理。

圖1 疲勞試樣的形狀及尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue test sample

按照GB/T 4337—2008在四連式懸臂梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機上進行疲勞試驗，應(yīng)力幅范圍為200～550 MPa，應(yīng)力比為-1，疲勞試驗循環(huán)次數(shù)為102～107周次。試驗結(jié)束后，采用JSM-7500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌。

為深入剖析爆炸噴涂對高碳鉻軸承鋼疲勞性能的微觀影響機理，采用JX23B-D300型光學顯微鏡對噴涂試樣進行組織觀察。在噴涂試樣上截取金相試樣，采用800#～1200#砂紙進行逐級打磨、拋光，經(jīng)體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕10 s后，在光學顯微鏡下觀察試樣的顯微組織。在HXD-1000T顯微維氏硬度計上測維氏硬度，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 S-N曲線

由圖2可知：當應(yīng)力幅較高、疲勞壽命較低(小于105周次)時，噴涂與未噴涂試樣的疲勞試驗結(jié)果沒有明顯區(qū)別，這表明在此應(yīng)力幅范圍內(nèi)，爆炸噴涂對試樣的疲勞壽命基本沒有影響;當應(yīng)力幅較低、疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂試樣的疲勞強度低于未噴涂試樣的，這表明此應(yīng)力幅范圍內(nèi)，爆炸噴涂使試樣的疲勞壽命縮短;當疲勞壽命為107周次時，試樣均未斷裂，此時的應(yīng)力幅為疲勞極限，噴涂和未噴涂試樣的疲勞極限分別為215,250 MPa。綜上，爆炸噴涂使GCr15軸承鋼的抗疲勞性能降低。

圖2 未噴涂和噴涂試樣的S-N曲線Fig.2 S-N curves of unsprayed and sprayed samples

2.2 顯微組織和硬度

由圖3可以看出：經(jīng)爆炸噴涂處理后，WC涂層和軸承鋼基體間的界線分明，存在邊界層；邊界層組織和基體組織沒有明顯區(qū)別，這表明爆炸噴涂未使GCr15軸承鋼的組織發(fā)生改變。試驗測得未噴涂和噴涂試樣的維氏硬度分別為283 HV，355 HV，這表明經(jīng)爆炸噴涂后試樣表面的硬度增大。通常硬度的提高有利于促進其抗疲勞性能的增強[12]，因此爆炸噴涂所導致的硬度變化并不是GCr15軸承鋼疲勞強度降低和壽命縮短的原因。

2.3 斷口形貌

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：當疲勞壽命較低(103～105周次)時，噴涂試樣和未噴涂試樣均未表現(xiàn)出明顯的疲勞斷裂特征，主要為脆性斷裂。這是由于這個階段的應(yīng)力幅較高，疲勞壽命中裂紋萌生階段壽命所占的比例較小，因此斷口中未見明顯的疲勞裂紋源和裂紋擴展特征，而表現(xiàn)為脆性斷裂特征。由此可知，爆炸噴涂對該階段的疲勞壽命影響較小。

圖3 經(jīng)爆炸噴涂后試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of samples after explosion spraying: (a) boundary of material matrix and spraying layer and (b) inside material matrix

圖4 疲勞壽命為 103～105周次時噴涂和未噴涂試樣斷口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of sprayed (a,b) and unsprayed (c,d) samples in the fatigue lives of 103-105 cycles

由圖5可知:當疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂和未噴涂試樣斷口均表現(xiàn)出明顯的疲勞斷裂特征，可以清楚地觀察到疲勞裂紋源以及疲勞裂紋擴展路徑，疲勞裂紋源均位于試樣表面；噴涂試樣斷口處的涂層較疏松，且存在許多明顯的孔狀缺陷，裂紋源主要為這些孔狀缺陷和界面附近試樣中的細小夾雜物，有研究表明，這些夾雜物為非金屬夾雜物[13-14]；未噴涂試樣的裂紋源為試樣表面因機械加工產(chǎn)生的微小劃痕和表面夾雜物，同時還有部分裂紋起源于試樣表面的晶體滑移帶。

由以上試驗結(jié)果可知，爆炸噴涂后軸承鋼的抗疲勞性能降低，但是影響程度不大，分析其原因在于：爆炸噴涂WC涂層的致密性比軸承鋼的差，涂層中存在許多孔狀缺陷，而這些孔狀缺陷在疲勞試驗中容易引起應(yīng)力集中，使得疲勞裂紋在此處萌生；同時，WC涂層的硬度比軸承鋼的高，涂層與基體界面附近由于形變的不協(xié)調(diào)而導致應(yīng)力集中，增加了在孔狀缺陷或夾雜物處萌生疲勞裂紋的可能性。

綜上可知，如果采用表面處理工藝來改善軸承鋼的抗疲勞性能，該工藝需要具有以下特點：(1) 所采用的表面處理工藝對軸承鋼表層組織和性能的影響較?。?2) 涂層能與軸承鋼表層緊密地結(jié)合，同時還能夠改善因機加工所產(chǎn)生的微小劃痕；(3) 涂層的致密性、塑性和強度均優(yōu)于軸承鋼基體的。

3 結(jié) 論

(1) 當應(yīng)力幅較高、疲勞壽命較低(小于105周次)時，噴涂與未噴涂軸承鋼的疲勞試驗結(jié)果沒有明顯區(qū)別；當應(yīng)力幅較低，疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂軸承鋼的疲勞強度比未噴涂的低；噴涂和未噴涂軸承鋼的疲勞極限分別為215，250 MPa；爆炸噴涂后GCr15軸承鋼的疲勞壽命縮短、抗疲勞性能降低。

圖5 疲勞壽命為 105～107時噴涂與未噴涂試樣斷口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of sprayed (a-d) and unsprayed (e-h) samples in the fatigue lives of 105-107 cycles: (a,c,e,g) overall morphology and (b,d,f,h) crack sources

(2) 未噴涂軸承鋼的疲勞裂紋源為其表面因機械加工所產(chǎn)生的微小劃痕、非金屬夾雜物以及晶體滑移帶；爆炸噴涂WC涂層后，軸承鋼的疲勞裂紋源為WC涂層中的孔狀缺陷和界面附近軸承鋼中的非金屬夾雜物。

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