劉曉初,危 珊,吳子軒,謝鑫成,陳澤威,蕭金瑞

(1.廣州大學(xué)a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院;b.廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.廣東省強(qiáng)化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心,廣州 510006;2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006)

0 引言

軸承作為“高端裝備的關(guān)節(jié)”,是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的關(guān)鍵,廣泛應(yīng)用于復(fù)雜多變環(huán)境中的高端裝備,而鋼球則是軸承最關(guān)鍵零部件之一[1-2]。80%的軸承失效都源于鋼球失效,因此探究軸承鋼球表面性能極為重要[3]。隨著高端裝備領(lǐng)域迅速發(fā)展,對(duì)軸承鋼球高耐磨性、高精度、長(zhǎng)壽命等性能的要求越來(lái)越高[4-7]。近年來(lái),在表面改性領(lǐng)域的研究受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注,例如激光、噴丸、滾壓、強(qiáng)化研磨等[8-16]。JEYAPRAKASH、XI等[17-20]研究了激光加工對(duì)材料表面硬度及耐磨性能的影響。QIN、BAARAN等[21-23]研究了不同覆蓋率噴丸強(qiáng)化對(duì)材料表面疲勞壽命的影響,結(jié)果表明覆蓋率越高,材料表面的粗糙度越低,硬度與殘余壓應(yīng)力有明顯提高;JIA、YANG等[24-26]研究了表面滾壓技術(shù)對(duì)增氧擴(kuò)散技術(shù)的影響,通過(guò)滾壓技術(shù)產(chǎn)生梯度塑性變形層,使材料表面達(dá)到更好的硬化效果。

目前,上述表面強(qiáng)化技術(shù)只能用于加工平面材料,無(wú)法加工曲面及球類(lèi)材料?；诖吮尘跋?結(jié)合以上工藝的強(qiáng)化特點(diǎn),提出一種鋼球強(qiáng)化研磨加工技術(shù),其加工原理是通過(guò)離心式鋼球強(qiáng)化研磨加工設(shè)備帶動(dòng)研磨罐內(nèi)的GCr15鋼球、硬質(zhì)球、研磨粉及研磨液進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),GCr15鋼球、硬質(zhì)球、研磨粉及研磨液之間相互碰撞、擠壓,使GCr15鋼球表層產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼球表面強(qiáng)化改性的效果。采用單一變量法,通過(guò)對(duì)比分析鋼球強(qiáng)化研磨加工前后GCr15鋼球表面的維氏顯微硬度、顯微組織、摩擦系數(shù)、磨損量、磨痕形貌等表征參數(shù),研究鋼球強(qiáng)化研磨加工對(duì)GCr15鋼球耐磨性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 鋼球強(qiáng)化研磨試驗(yàn)

采用離心式鋼球強(qiáng)化研磨加工設(shè)備對(duì)GCr15鋼球進(jìn)行加工試驗(yàn),首先將GCr15鋼球、硬質(zhì)球、研磨粉及研磨液按一定比例(表1)混合倒入研磨罐中,然后將研磨罐裝在主輪盤(pán)上,放下蓋子,設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工。研磨液的主要成分如表2所示(研磨液的成分?jǐn)?shù)據(jù)屬于實(shí)驗(yàn)室機(jī)密,僅展示部分配比),加工設(shè)備如圖1a所示,加工原理示意圖如圖1b所示,圖中Ω為主輪盤(pán)角速度;R為半徑;ω為研磨罐角速度;r為研磨罐半徑;ACf、ACF為GCr15鋼球的離心加速度;AC為復(fù)合加速度。所選用的加工對(duì)象為GCr15鋼球,其直徑為8 mm,材料成分如表3所示。試驗(yàn)的相關(guān)變量參數(shù)如表4所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

表2 研磨液部分成分及配比

表3 GCr15軸承鋼球化學(xué)成分

表4 變量參數(shù)

(a) 加工設(shè)備 (b) 加工原理示意圖

圖2 往復(fù)式摩擦腐蝕試驗(yàn)機(jī)

將鋼球強(qiáng)化研磨加工后GCr15鋼球試樣與空白對(duì)照試樣對(duì)半切割,制備鑲嵌試樣,分別采用160#、320#、600#、2000#的金相砂紙進(jìn)行打磨拋光至鑲嵌試樣表面光滑,再用75%酒精進(jìn)行超聲波清洗,冷風(fēng)吹干后備用,便于后續(xù)的分析和測(cè)試。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

在試驗(yàn)前,將鋼球強(qiáng)化研磨加工后的GCr15鋼球試驗(yàn)組試樣和空白對(duì)照試驗(yàn)組試樣用電子天平測(cè)量其質(zhì)量,再放入摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工具頭中,進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn),其中對(duì)磨練件選用30 mm×4 mm×4 mm的GCr15軸承鋼板。試驗(yàn)參數(shù),法向載荷Fn=60 N,位移幅度3 mm,摩擦歷程3600 s,往復(fù)頻率5 Hz。在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)后,采用75%酒精進(jìn)行超聲波清洗,冷風(fēng)吹干后用電子天平測(cè)量摩擦磨損試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量,并計(jì)算出磨損量。

2 結(jié)果及分析

2.1 硬度值分析

采用維氏顯微硬度計(jì)對(duì)離心擺動(dòng)式強(qiáng)化研磨加工后的試樣和未經(jīng)加工的試樣取點(diǎn)并測(cè)定硬度值。由GCr15鋼球表面到基體心部選取10個(gè)點(diǎn),在距其表面10 μm處開(kāi)始測(cè)量,分別測(cè)得各點(diǎn)的維氏顯微硬度,如圖3所示。試樣結(jié)果表明,經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工后試樣表層的維氏顯微硬度明顯高于未加工試樣表層的維氏顯微硬度。鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí),硬質(zhì)球、GCr15鋼球、研磨粉與研磨液之間反復(fù)碰撞擠壓,GCr15鋼球表面產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中,使其形成劇烈塑性變形、加工硬化,使其產(chǎn)生的強(qiáng)化層呈梯度分布。未加工的A組試樣在加工表面10 μm處,其維氏顯微硬度值為692.3 HV,且在距加工表面10～110 μm處,硬度值趨于穩(wěn)定,與A組試樣相比,經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工的B～D試樣的維氏顯微硬度值分別為725.5、767.8、810.7 μm,且隨著深度的增加,經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工試樣的維氏顯微硬度值約趨近未加工試樣的維氏顯微硬度值。由圖3可得,隨著鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間的增加,GCr15鋼球表層的維氏顯微硬度值不斷增加。

圖3 顯微硬度沿深度方向的變化

2.2 顯微組織分析

如圖4所示,經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工,GCr15鋼球試樣表層出現(xiàn)強(qiáng)化層,其中強(qiáng)化層存在致密的馬氏體集群,且隨著加工時(shí)間延長(zhǎng)強(qiáng)化層厚度增加。未經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工A試樣存在大量的14～18 μm的板條狀馬氏體。與A試樣相比,B、C、D試樣表層出現(xiàn)隱針狀馬氏體,且長(zhǎng)度以及寬度都有所減小。加工時(shí)間延長(zhǎng),強(qiáng)化層厚度由53 μm增加至145 μm,且強(qiáng)化層中馬氏體分布密度增大。這是因?yàn)殇撉驈?qiáng)化研磨加工使研磨罐內(nèi)顆粒反復(fù)撞擊,使GCr15鋼球表面產(chǎn)生大量殘余壓應(yīng)力,形成致密的強(qiáng)化層,而強(qiáng)化層中產(chǎn)生大量的細(xì)小馬氏體,馬氏體相界面抑制了位錯(cuò)移動(dòng),進(jìn)而提高GCr15鋼球表面的硬度以及耐磨性能。

(a) 未加工試樣 (b) 加工30 min

圖5為GCr15鋼球試樣橫截面晶粒組織圖,隨著鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間延長(zhǎng),晶粒細(xì)化層的厚度逐漸增大。加工時(shí)間為0、30、60、90 min,GCr15鋼球試樣表面晶粒細(xì)化層的厚度分別為0、48、65、120 μm。晶粒細(xì)化的主要原因是在鋼球強(qiáng)化研磨過(guò)程中,GCr15鋼球表面受到高速撞擊,使其表層原子獲得能量發(fā)生躍遷,引起晶粒變形孿生及高密度位錯(cuò),出現(xiàn)亞晶界。晶粒尺寸減小抑制了位錯(cuò)滑移的產(chǎn)生,同時(shí)提高了晶粒抵抗塑性變形的能力,使得GCr15鋼球表面的硬度及耐磨性能都有所提升。

(a) 未加工式樣 (b) 加工30 min

2.3 X射線(xiàn)衍射分析

圖6為經(jīng)不同鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間后GCr15鋼球試樣的XRD圖譜,通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)圖譜,將馬氏體與奧氏體的特征峰標(biāo)出。馬氏體是一種高硬度金相組織,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由高密度位錯(cuò)組成,對(duì)材料表面摩擦磨損性能的提高起重要作用。從圖6可知,馬氏體與奧氏體的衍射峰較為明顯。

圖6 試樣X(jué)射線(xiàn)衍射圖譜圖7 試樣平均晶粒尺寸

根據(jù)謝勒公式求出平均晶粒尺寸:

(1)

式中:D為對(duì)應(yīng)衍射強(qiáng)度的晶粒尺寸,λ為X射線(xiàn)波長(zhǎng),k為常數(shù),一般取k=1;β為XRD衍射峰半高寬,θ為衍射角(β、θ的單位在計(jì)算時(shí)要轉(zhuǎn)化為弧度制)。結(jié)合XRD衍射結(jié)果及謝勒公式,可計(jì)算出GCr15鋼球強(qiáng)化研磨加工前后平均晶粒尺寸。A～D組試樣平均晶粒尺寸(圖7)分別為47.83、30.48、23.51、13.86 μm,隨加工時(shí)間延長(zhǎng),平均晶粒尺寸逐漸減小,這一結(jié)果與2.2節(jié)顯微組織分析中晶粒組織顯微觀(guān)察的結(jié)果吻合。經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工后GCr15鋼球表層晶粒組織發(fā)生滑移位錯(cuò),晶粒尺寸減小,形成致密組織,提高其表面硬度高,導(dǎo)致耐磨性隨之增大。

2.4 摩擦系數(shù)分析

圖8為經(jīng)不同鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間后GCr15鋼球試樣在60 N載荷下的瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)圖。由圖可知,GCr15鋼球與對(duì)磨件接觸瞬間,GCr15鋼球表面被犁削,摩擦系數(shù)立即增大,到達(dá)最大值后逐漸下降,進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段,最終在某一數(shù)值附近上下浮動(dòng)。其中未加工A組試樣平均摩擦系數(shù)最大為0.714,隨加工時(shí)間延長(zhǎng)B、C、D組試樣的平均摩擦系均有所減小,分別為0.665、0.636、0.583。經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工后GCr15鋼球表面金相組織發(fā)生改變,大量馬氏體細(xì)化,使晶粒再結(jié)晶,形成致密結(jié)構(gòu),最終減小摩擦系數(shù),提高GCr15鋼球表面抵抗塑性變形的能力。

圖8 試樣瞬時(shí)摩擦系數(shù)

2.5 磨損量分析

磨損量是磨損引起的材料損失量,在文中指的是材料通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)后質(zhì)量的變化量。圖9為GCr15鋼球試樣在摩擦磨損試驗(yàn)后質(zhì)量的變化,從圖中可知,A組試樣質(zhì)量磨損量最大2.5 mg。與A組試樣相比,經(jīng)過(guò)鋼球強(qiáng)化研磨加工的B～D組試樣質(zhì)量磨損量呈下降趨勢(shì),分別為1.8、1.5、0.9 mg,加工時(shí)間由30 min到90 min質(zhì)量磨損量降低了分別28%、40%、64%。質(zhì)量磨損量的變化實(shí)質(zhì)是由于材料的疲勞剝落,隨著鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間延長(zhǎng),GCr15鋼球表面撞擊頻率增大,導(dǎo)致產(chǎn)生大量高硬度馬氏體集群,冷作硬化加劇,使其表面的硬度提高,抑制了表層裂紋萌生及擴(kuò)展,進(jìn)而降低了質(zhì)量磨損量。

圖9 摩擦腐蝕各試樣磨損量

2.6 磨痕形貌

圖10為經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)的GCr15鋼球試樣微觀(guān)形貌。

(a) 未加工式樣

隨加工時(shí)間延長(zhǎng),GCr15鋼球試樣表面的磨痕寬度逐漸減小,分別為152.5、135、105、97.5 μm。A組試樣的表面存在大量劃痕、凹坑以及碎屑。與A組試樣相比,B、C、D組試樣劃痕長(zhǎng)度、寬度以及深度均有所減小,而劃痕、凹坑及碎屑的數(shù)量也明顯下降。由于經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工后GCr15鋼球表面產(chǎn)生致密的強(qiáng)化層,馬氏體晶粒細(xì)化,阻礙了裂紋的萌生與擴(kuò)展。在進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí),GCr15鋼球表面受到的應(yīng)力集中減小,塑性變形也越小,導(dǎo)致提高其表面的耐磨性。

3 結(jié)論

通過(guò)離心式鋼球強(qiáng)化研磨設(shè)備對(duì)GCr15軸承鋼球加工不同時(shí)間后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),利用維氏顯微硬度、微觀(guān)組織形貌、XRD射線(xiàn)衍射分析、摩擦系數(shù)以及磨損量的變化,探究試樣表面耐磨性隨鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間延長(zhǎng)而提高的現(xiàn)象,得到以下結(jié)論:

(1)維氏顯微硬度、顯微組織、XRD射線(xiàn)衍射分析結(jié)果均與摩擦磨損試驗(yàn)后平均摩擦系數(shù)、磨損量、磨痕形貌分析結(jié)果一致,揭示了GCr15鋼球表面耐磨性隨鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間增加而增強(qiáng)的規(guī)律。

(2)經(jīng)鋼球強(qiáng)化研磨加工后GCr15鋼球表面產(chǎn)生致密度強(qiáng)化層,且強(qiáng)化層厚度與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,鋼球強(qiáng)化研磨加工時(shí)間為90 min時(shí),表面強(qiáng)化層厚度高達(dá)145 μm。

(3)鋼球強(qiáng)化研磨加工使GCr15鋼球表層隱針狀馬氏體不斷細(xì)化,使晶粒再結(jié)晶,且細(xì)化程度隨加工時(shí)間增加而增加。

(4)摩擦磨損試驗(yàn)表明,鋼球強(qiáng)化研磨加工對(duì)提高GCr15鋼球表面耐磨性有顯著效果,且平均摩擦系數(shù)與磨損量隨加工時(shí)間增加而下降。