（机械工程专业论文）轴承钢球表面强化技术的研究.pdf

轴承钢球表面强化技术的研究 摘要：本文全面地研究了钢球表面硬度、基体硬度、表层硬化层深度、表层残 余应力、接触疲劳寿命与强化工艺之间的关系，以及钢球强化处理后表层残余 奥氏体变化情况和表面强化层的微观组织、亚结构特征。详细阐述了钢球表面 强化工艺提高钢球接触疲劳寿命的机理，并就表面形变过程中的强化和损伤 强化钢球的表面硬度如何控制及热处理工艺的优化等方面进行了深入的探讨 提出了自己独道的见解。研究证明：适宜的热处理和表面强化工艺可以提高钢 球表面的硬度、残余压应力并提高钢球的压碎负荷、耐磨性能和接触疲劳寿命。 关键词：钢球，表面强化，硬度，残余压应力，接触疲劳寿命 s t u d y o ns u r f a c e s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y f o r b e a r i n g s t e e lb a l l a b s t r a c t ：t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yd e a l sw i t ht h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e r 【g t h e n i n g t e c h n o l o g ym a ds u r f a c eh a r d n e s s ，m a t r i xh a r d n e s s ，h a r d e n i n gd e p t h ，s u r f a c er e s i d u a l s t r e s s ，c r u s hl o a da n dc o n t a c tf a t i g u el i f eo f s t e e lb a l l t h e c h a n g eo fs u r f a c er e s i d u a l s t r e s sa n dm i c r o s t m e t u r e ，s u b s t r u c t u r eo fs u r f a c es t r e n g t h e n i n gl a y e ro fs t e e lb a l l a f t e rs u r f a c es t r e n g t h e n i n gt r e a t m e n ti sa l s os t u d i e d m e c h a n i s mt h a tc o n t a c tf a t i g u e l i f ec a nb ei n c r e a s e dw i t ht h es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e s t r e n g t h e n i n g a n dd a m a g e d u f n gs u r f a c ed e f o r m a i o n ，h o w t oc o n t r o l s u r f a c e h a r d n e s so fb a l l s t r e n g t h e n e d ，t h eo p t i m i z i n go fh e a t t r e a t m e n ta n ds t r e n g t h e n i n g p r o c e s sa n ds oo ni s r e s e a r c h e dd e e p l nt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c eh a r d n e s s ， r e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s s ，c r u s hl o a d ，w e a rr e s i s t a n c ea n dc o n t a c tf a t i g u el i f eo f s t e e lb a l lc a nb ei n c r e a s e dw i t h p r o p e r h e a t - t r e a t m e n ta n d s t r e n g t h e n i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：s t e e lb a l l ；s u r f a c es t r e n g t h e n i n g ；h a r d n e s s ；r e s i d u a lc o m p r e s s i v e s t r e s s ；c o n t a c tf a t i g u el i f e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：店致亚茹签字日期：山哆年，月，9 f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解台肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：拙亟翔 签字日期：知，年，月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：洛阳轴承研究所金属材料开发部 通讯地址：河南省洛阳市吉林路 铷躲辛鳓 j9 ，p 电话：0 3 7 9 - 4 8 8 0 3 3 0 邮编：4 7 1 0 3 9 致谢 研究生学习阶段就要结束了，在学期间，我学到了很多新的知 识，也领悟了不少做人的道理。这首先要归功于我的导师李旗号、 段天慧教授。为了让我能够顺利地完成学业，李教授和段教授倾注 了大量心血，教授渊博的知识、严谨的治学学风，是我今后学习的 楷模，在此特向恩师致以深深的敬意和诚挚的感谢! 在课题研究中，洛阳轴研科技股份有限公司金属材料部雷建中 部长、教授对我很关心，给了我很大的帮助，在这里向他表示衷心 的感谢! 还有轴承行业中心主任刘耀中高工对我的工作给予很大的支 持和帮助，在此一并表示感谢! 另外，还要感谢合肥工业大学和洛阳轴承研究所给了我一个学 习深造的机会，为了我们的研究生班能顺利完成学业，合工大研究 生处的各位老师和洛阳轴承研究所教育中心的焦丽莎处长付出了辛 勤的汗水，在此向他们表示深深的谢意。 最后，我谨在此向在论文答辩中给予我帮助的老师和领导表示 深深的谢意! 1 1 概论 第一章绪论 钢球是球轴承中重要零部件之一，它的质量好坏在很大程度上影 响到轴承的动态性能和使用寿命，也影响着我国轴承行业的市场前景 和发展。我国轴承行业的钢球企业在改革开放以来，经过技术改造、 引进消化吸收及质量攻关，使其装备水平及工艺技术水平都有了明显 的提高，现在主要钢球生产厂家都普遍采用了大循环工艺稳定批量生 产g 1 0 级球，部分厂家可采用大循环工艺批量生产g 5 级球，质量水 平接近国外的先进水平，由此减少了高精度优质钢球的进口，还可批 量出口。尽管这些年来我国轴承钢球企业取得了很大成绩，但与国外 先进国家相比，产品质量还有定差距。根据向心球轴承质量国内外 对比分析的结果可知，在轴承寿命试验时，因钢球疲劳破坏而使轴承 失效的比例，在八十年代瑞典s k f 和日本n s k 公司产品均已为o ， 而我国目前仍有5 0 6 0 的轴承是由于钢球疲劳破坏而使整套轴承报 废的。深沟球轴承的试验研究表明 ：外圈、内圈及钢球的表面质量 对轴承振动产生的影响之比为l ：3 ：1 0 。可见轴承振动值的降低和 寿命的提高与钢球表面质量的提高密不可分。 目前，钢球的研磨工艺技术正在发生重大地革新。国外采用树脂 砂轮代替传统砂轮，以磨代研，在保证钢球寿命不受影响的前提下， 大大提高了生产效率。我国部分钢球生产企业也正在开展这方面的工 艺研究试验，但尚不成熟，与国外存在较大的差距。 由于在材料冶金质量、钢球加工工艺和表面强化工艺等方面我国 与日本、瑞典及美国等先进国家相比存在有一定的差距，导致钢球的 使用寿命和可靠性同样存在差距。因此，欲进一步提高国产轴承的寿 命，赶超世界先进水平，提高国产钢球的加工质量、使用寿命和可靠 性将是至关重要的。其中钢球表面强化工艺也起着非常重要的作用。 1 2 钢球的特性及影响因素 1 2 1 钢球的特性 众所周知，金属材料在循环应力的作用下，首先将产生不可逆的 结构变化，其特征是在这个区域内材料晶格的滑移，导致疲劳裂纹的 萌生。随着循环应力的不断作用，萌生的疲劳裂纹不断扩展，直至发 生疲劳剥落。 在球轴承中的钢球和套圈大部分是采用高碳铬轴承钢制造，一 般可视为“刚体”。但因为内外圈滚道和钢球间的载荷仅仅作用在相 互接触体之间很小的接触面积上，因此，钢球和滚道在很高的接触应 力作用下( 其接触应力大约为2 0 0 0 2 5 0 0 m p a ) 进行相对滚动运动， 在这个高应力接触区域内轴承材料会发生局部的弹性变形，同时钢球 在套圈滚道上的运动也并非理论上的纯滚动运动。所以，这种高应力 接触和非纯滚动运动的状态完全可以理解为轴承发生疲劳剥落的主要 外界因素。非纯滚动运动的机理主要有汗斯考特滑动和雷诺滑动。 1 )汉斯考特滑动 轴承的钢球与球形滚道的接触处呈椭圆形的压力区( 如图1 1 ) ， 在这个压力区内，由于各接触点到钢球的旋转轴及到套圈旋转轴的距 离均不相等，因而导致在压力区内各个接触点的运动速度的差异，以 致使钢球和滚道接触处除了d 和d 点可以理解为无滑动外，在d 和 d 点之间及d 和d 点之外的各接触点均存在着相反方向的滑动运动 和滑动摩擦，这种现象被称为汉斯考特滑动。钢球和滚道接触处的这 种滑动速度的差异和滑动摩擦是产生材料表层晶格滑移的主要因素。 原铳道 攫掰考特滑动 、 图1 1 球轴承内汉斯考特滑动 2 )雷诺滑动 球轴承中钢球和滚道接触处在外界载荷的作用下，会发生如图 1 2 的弹性变形，在接触处中心o 点的表层材料变形最大，在o 点两 侧的接触点a 、b 、c 及a 、b 、c 随偏离o 点的距离增大，表层材 料的变形量相应减少。当钢球在外载荷作用下发生滚动时，在接触处 中心o 点的前方( 沿滚动方向) 的各接触点a 、b 、c 处的表层材料 被拉伸，而在接触中心o 点后方( 沿滚动方向) 的各接触点a 、b 、 c 处的表层材料被压缩。这种表层材料的反复拉伸和压缩是导致轴承 材料表层下微裂纹形成和扩大的主要外界因素。同时后方被压缩的表 层材料弹性恢复总滞后前方被拉伸的表层材料弹性恢复，从而产生滑 动摩擦。 l 厂、 走 1 碟f 图1 2 球滚动轴承的雷诺滑动 汗斯考特滑动和雷诺滑动在滚动轴承运行中是不可避免的，汉斯 考特滑动导致轴承材料表层晶格滑移而使钢球与滚道之间产生定的 滑动摩擦。在霄诺滑动区域内，表层轴承钢材料中的非金属夹杂物的 周围会受到拉伸和压缩的交变应力，这种交变应力使非金属夹杂物区 的弹性能转变成变形而产生裂纹，裂纹的两侧面反复受到挤压，裂纹 沿主应力方向发展，最终导致轴承材料的疲劳剥落。 从滚动轴承的滚动机理中可以看出：从钢球的作用是传递载荷 与承受一定载荷而言，钢球的主要失效形式为接触疲劳剥落( 如果钢 球在加工过程中不存在有任何缺陷，针对钢球而言，其9 0 以上的 破坏形式为接触疲劳破坏) 。所以，为了提高球轴承中钢球的使用寿 命，钢球必须具备以下的主要特性： + 高的接触疲劳强度 t 表面高的硬度 + 表面高的耐磨性 + 高的弹性极限和压碎负荷 + 良好的尺寸稳定性 + 高的表面加工精度 1 2 2 提高钢球接触疲劳寿命的主要途径 如前所述，在球轴承中，钢球的主要失效形式为接触疲劳剥落， 其次是表面加工精度及表面质量对轴承噪音或寿命的影响( 包括由于 磨损或尺寸稳定性较差而导致精度的丧失) 。提高钢球接触疲劳寿命 的主要途径如下 1 2 2 1 钢球用材料的质量 球轴承在运转时，钢球在滚动接触的交变应力的作用下，最大切 应力在零件的次表面层。处于该区的材料的非金属夹杂物或粗大碳化 物处形成应力集中而出现微裂纹，大多数的次表面疲劳剥落正是以这 些微裂纹作为疲劳裂纹源，扩展形成剥落，最终造成钢球的失效。 轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢 种。世界公认，轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志 1 。近几十 年来，工业发达国家在轴承用钢的开发及生产应用方面可大致分为两 个方面：方面采用新的冶炼技术和装备，或对传统的冶炼工艺和装 备进行改进，降低轴承钢中氧含量及夹杂物的数量，改善夹杂物的分 布、尺寸和形态，改善结晶状态等，以提高原有钢种的冶金质量，生 产长寿命、纯净或超高纯净钢；另一方面，对原有的钢种的化学成分 进行改进或开发全新轴承钢，以满足不同使用场合对轴承越来越高的 性能要求，或在具有同样性能的前提下降低材料费用和整个轴承的生 产成本。因此，在材料方面提高钢球接触疲劳寿命的途径有以下两个 方面： 1 ) 提高轴承钢材料的纯洁度 造成钢球失效的大多数接触疲劳裂纹都是在材料的缺陷处由于应 力集中而产生，例如在次表面处的非金属夹杂物，尤其是脆性氧化物 类型( a 1 2 0 3 、s i 0 2 、c a o 等) 和t i 类型( t i n ) 的非金属夹杂物。由 于这些非金属夹杂物的存在破坏了轴承钢基体材料的连续性，本身脆 而形状无规则，在轴承零件的次表层的最大剪切应力区域内极易在这 些非金属夹杂物处产生很大的应力集中而导致裂纹萌生、扩展及剥 落，由此降低轴承的使用寿命。 由此可见。为了提高钢球的使用寿命，减少钢中的非金属夹杂物 数量( 尤其是钢中t i 和o 的含量) 和改善其分布状态是十分必要、 有效的。而钢中氧含量的降低直接影响钢中夹杂物的多少，有资料显 示，轴承钢中氧含量与轴承的额定寿命l 。有如下关系： h = 3 7 2 0 “6 式中 0 为钢中氧含量，1 0 一。 钢球的接触疲劳寿命随氧含量与非金属夹杂物减少而增加。各种 先进的冶炼技术的采用所带来的最显著的效果之一是钢中氧含量的降 低，由2 0 世纪6 0 年代初的3 0 1 0 “下降到今天的( 3 5 ) 1 0 ，l 。 为未采用真空脱气前的3 0 倍。现在预言 8 ，二十一世纪能大批量生 产的钢的氧含量小于3 10 。近几十年来，美国、瑞典、日本、德 国和我国等国家一直致力于降低轴承钢中的氧含量及非金属夹杂物的 数量方面的研究( 例如采取严格挑选原材料、大功率或超大功率电炉 冶炼、钢包精炼和真空脱气、连续铸造及偏心炉底出钢等措施) ，并 取得可喜的成果，使钢球的接触疲劳寿命得到大幅度的提高。 2 ) 改善轴承钢中碳化物的颗粒大小及分布状态 众所周知，高碳铬轴承钢中碳化物的颗粒越细小，分别越均匀、 弥散，可以提高轴承的接触疲劳寿命。例如细颗粒碳化物( 碳化物尺 寸平均为0 5 1 0 微米) 轴承的寿命为粗颗粒碳化物( 平均为2 5 3 5 微米) 的1 5 倍。粗大碳化物影响轴承使用寿命的主要原因是粗大碳 化物的存在造成在其附近和远处的碳浓度出现很大的差异，导致轴承 零件热处理淬回火后的组织和显微硬度也存在较大的不同，碳浓度过 高或过低的区域寿命下降。另一方面，目前我国生产的钢球用真空脱 气轴承钢中的氧含量平均在8 1 2 p p m 左右，已接近国外的先进水平。 由于氧含量的大幅度降低，钢中非金属夹杂物的数量大大的减少，在 这种情况下，以往没有引起人们高度重视的碳化物颗粒大小、分布状 况对钢球接触疲劳寿命的影响显现出来。碳化物的硬度很高，在正常 的热处理淬回火后，只有0 5 5 左右的碳含量溶入基体中，其余的碳 以残留碳化物的形式存在，均匀、细小、弥散分布的碳化物能提高钢 球的耐磨性和接触疲劳寿命。如果碳化物颗粒过于粗大，形状不规则， 其作用类似脆性的非金属夹杂物，对钢球的接触疲劳寿命起着严重的 破坏影响。 我国生产的轴承钢在碳化物颗粒大小及分布状态方面与国外存在 着明显的差距。国外对如何改善轴承钢中碳化物颗粒大小及分布状况 进行过系统、深入地研究，并在生产过程中严格执行工艺而加以控制， 从而保证了轴承钢中的碳化物呈细小、均匀、弥散地分布，使轴承的 使用寿命和可靠性大幅度提高。我国在轴承钢生产过程中，由于钢液 搅拌少，高温扩散时间过短及钢材轧制比较小，导致生产的轴承钢中 碳化物的颗粒较大，而且分布不均匀，碳化物带状和网状现象严重， 严重影响着轴承的使用寿命和可靠性。因此，要提高钢球的使用寿命 和可靠性，必须改善轴承钢中碳化物的颗粒大小及分布状态。 1 2 2 2 钢球表面处理 大量研究和观察指出：不管哪种模式的疲劳失效，绝大多数情况 下疲劳裂纹都萌生于材料表面或亚表面，零件承受的外力，大部分都 集中在表面或由表至里依次减小，经过一段扩展后，导致零件疲劳。 因此，为了延长钢球疲劳裂纹的萌生寿命或提高萌生疲劳裂纹的载荷 水平，在提高钢球用轴承材料本身质量的基础上，重要的是如何提高 钢球表面的质量和性能。最有效的方法之一是改变材料( 零件) 的表 面完整性( 主要包括表层的显微组织及相结构、残余应力状态等) 。 目前改善钢铁零件表面性能的主要方法有： a ) 、金属材料表面的功能性镀覆：包括化学镀、电镀、复合镀、 电刷镀及非晶化处理等。 b ) 、金属材料表面的高能束处理：包括激光表面处理、电子束表 面改性处理及离子注入技术。 c ) 、金属材料表面的气相沉积技术：包括物理及化学气相沉积法。 d ) 、金属材料表面的热扩散渗入工艺：包括渗碳、渗氮及碳氮共 渗等化学热处理。 e ) 、表面淬火：如高频表面淬火、火焰表面淬火等。 f ) 、冷作硬化处理：如喷丸、滚压、冷压冷轧等工艺。 上述方法均是通过改变材料的表面完整性，来达到改善疲劳性能 的目的。几十年来，表面强化一表面改性技术的研究和发展已经异军 突起，成为材料学科和摩擦学学科中的一个非常突出的应用领域。当 今世界各国在工程上已经采用的各种改善材料疲劳性能的诸多表面处 理工艺中，使用最多、适应性最广、成本最为低廉的是表面喷丸强化 工艺州。 在提高钢球接触疲劳强度和表面质量的工艺措施中，其表面改性 技术的应用就是钢球的表面强化处理。其方法是在钢球热处理后，把 钢球装入特制的滚筒机中，由于滚筒旋转，筒内的提升斗就把钢球提 升到顶端高度而落下，落下的钢球与滚筒内的钢球相互碰撞。钢球每 次碰撞只是很小的圆面积，随滚筒旋转时间的延长，钢球碰撞次数增 多，整个钢球碰撞表面就越来越大。钢球就是通过这种反复相互碰撞 的方法，使钢球表面得到强化的。钢球的这种表面强化过程就相当于 一种低速的喷丸过程。钢球通过这种加工手段，使钢球在相互撞击的 过程中，表面产生弹塑性变形，导致钢球表层的组织结构和应力状态 发生很大变化，达到提高钢球表面强度的目的。该方法是提高钢球寿 命的一种经济、有效的工艺手段，其优点为： a ) 简单易行。只要有滚筒强化设备，不需要其他复杂的辅助设备。 b ) 生产效率高。只要选择好强化工艺参数，可实现机械化生产。 c ) 经济效益高。钢球表面强化后能大大提高钢球的使用寿命。提 高钢球表面磨加工效率，并可减少钢球在运输过程中造成表面碰伤及 划伤。 1 3 国内外钢球表面强化技术的发展现状 钢球表面强化处理工艺是工业发达国家在7 0 年代就开始采用的 新工艺，如日本n t n 公司最早采用滚筒机对钢球进行表面强化处理， 又称加压工艺。目前此工艺己成为提高钢球质量的重要手段。强化处 理的钢球尺寸范围为0 6 - 5 0 m m ，强化处理工艺在热处理后或粗磨( 硬 磨) 之前进行，对不同规格钢球采用不同的强化设备。 a ) 对于较大规格中5 5 5 6 2 m m 以上钢球，采用直径约l m 左右的滚 筒强化机，在滚筒的内壁等距离焊接1 6 个提升斗，滚筒最大转速为 2 0 r m in ，强化处理时间一般为5 h ，装球量约是整个容积的2 3 以下。 另一种为正多角形滚筒强化机 7 ，要求强化处理的钢球直径为3 、2 7 m m ， 滚筒转速为5 0 - 6 0 r m in ，滚筒旋转时间为1 、3 h 。 b ) 对于巾3 5 5 5 , 6 2 m m 的钢球，强化处理是采用滚筒中心带有加速 飞轮的滚筒强化机，飞轮转速为37 0 r m i n ，其上等距离装有8 个叶片， 强化处理的钢球被提升到筒内高处，然后落到飞轮的叶片上，由于叶 片转速较高，叶片将钢球发射出去，恰好碰上正在落下的钢球，如此 反复进行，使钢球得到强化处理。强化时间一般为6 h 左右。 c ) 对于中0 6 、3 m m 的特小钢球，是在振丸型强化机内进行强化处 理，简内加入少量一定尺寸大小的钢球，靠振动而使该钢球不停的打 击夹在其间的小钢球，使小钢球得到强化处理。另一种微型钢球表面 强化处理方法 73 是将钢球装入特制简体的下部，简体内中心处有一管 子，用压缩空气从下往上把钢球吹入管子中，喷射至管子上端的挡板 上，再使之向简体下部自然跌落在聚集的微型钢球上此过程反复进 行，而达到小钢球整个表面强化的目的。强化时间一般为6 7 h 。 由此可看出，大中型规格钢球可利用滚筒机靠钢球坠落碰撞得到 表面强化，小型规格钢球由于自重轻，强化力不够，强化效果差，可 采用离，t 3 式滚筒机，利用高速旋转的叶片增强钢球的撞击力，强化小 规格钢球效果较好。对于微型钢球则采用特殊的强化设备。一般来说， 钢球尺寸越小，强化时间相应越长。 我国钢球制造业从八十年代末，九十年代初也结合国内钢球制造 状况，开始对铜球表面强化处理进行研究和试验，并取得了一定成绩。 实验研究发现呻。o ，钢球热处理后进行表面强化处理对提高钢球的表 面硬度、接触疲劳寿命等效果十分明显，对终加工的表面质量和清洗 过程中的抗擦伤能力，有明显改善，最终可使合套轴承的振动值这一 综合性能有显著的降低，钢球的耐磨性明显提高。轴承行业内的一些 主要钢球生产厂，采用钢球表面强化工艺对钢球进行表面强化处理 后，对提高国内钢球的性能起到了较大的作用。其钢球强化设备也采 用类似日本的带提升斗的滚筒强化机，对9 5 25 0 m m ( 3 8 i n ) 以下的钢 球采用滚筒中心带高速旋转叶片的强化设备。 随着国外表面强化技术的进一步发展，根据我们对国外钢球的 检测分析及有关资料来看，国外某些企业的钢球强化处理工艺和国内 钢球企业的钢球强化处理工艺已有所不同，国内对钢球强化工艺及其 机理等还缺乏迸一步开展系统、深入的研究，技术和工艺尚处于模仿 阶段，加工工艺有待优化与提高。因此，为了更好地应用钢球这种简 单有效的强化工艺，要求对钢球表面强化的机理、工艺原理及工艺技 术等方面进行全面地研究。 1 4 本文主要研究方向及内容 1 钢球表面强化工艺的研究 a ) 钢球表面强化处理前后的表面硬度如何控制，才能使其接触疲 劳寿命为最佳? 即钢球热处理工艺和表面强化工艺如何匹配问题。对 于g c r l5 钢球表面硬度既要求符合j b l2 5 5 2 0 0 1 标准中的规定，又要 保证钢球的接触疲劳寿命最长。 b ) 表面强化工艺的研究，即表面强化处理时间和钢球相互碰撞速 度与强化效果的关系。 c ) 钢球的表面强化处理是否会出现钢球性能下降? 即所谓的“过 强化”现象( 钢球的表面强化，一般随强化时间增加，疲劳强度随着 提高，在超过某一限度后，疲劳强度开始下降) 。即表面形变中的强 化和损伤问题。 2 钢球的表面强化提高其疲劳强度机理的研究，即表层组织结 构及残余应力变化对疲劳寿命的影响。 因此，本文通过采用一系列适当的热处理工艺和表面强化工艺来 控制钢球表面强化的硬度、残余应力，以研究其对钢球的动性能和接 触疲劳寿命的影响，从而提出控制钢球表面硬度的最佳方案及典型尺 寸钢球合理热处理工艺和与之相适应的表面强化工艺，并从组织强化 与应力强化两方面进一步探讨钢球的表面形变强化机制，并对钢球表 面形变强化的“过强化”进行研究。 第二章试验材料、表面强化装置及试验方法 2 1 试验用材料 试验钢球用材料采用上海第五钢铁厂冶炼的真空脱气材g c r l5 ，对 钢材进行化学成分、非金属夹杂物及碳化物液析进行检验，检验结果 见表2 。1 和表2 2 。由表2 1 和表2 - 2 知，其化学成分、非金属夹杂 物及碳化物液析均符合g b t 1 8 2 5 4 2 0 0 0 标准要求。 表2 1 钢材的化学成分 ( ) l es im nc rp s l 1 0 50 2 4 0 2 71 5 0o 0 15o 0 1 2 表2 2非金属夹杂物及碳化物液析检验结果 非金属夹杂物 碳化物 abcd 细系粗系细系粗系细系粗系 细系粗系 液析 o s0o 5oo 5 01o 0 5 2 2 热处理及强化设备 钢球淬火设备采用滚筒加热炉。目前，有周期式滴注回转滚筒 炉，采用甲醇一丙酮滴注式气氛保护，如r g 一4 5 滚筒炉。另一种为 连续式滚筒炉，一般采用氮气+ 甲醇气氛。其生产效率高，适应大批 量生产，如爱协林滚筒加热炉( c r g s 9 0 4 0 0 9 5 ) 生产线。钢球强化 设备采用钢球表面强化机，其装置断面示意图如图2 1 所示。钢球表 面强化处理是在钢球热处理后，使用卧式园柱滚筒强化机进行表面强 化。强化机按钢球大小分为两利，： a ) 直径为9 5 2 5 0 m m ( 3 8 i n ) 以上的钢球，滚筒尺寸为( 1 ) 1 2 0 0 6 0 0 m m 或巾10 0 0 4 2 0 m m ，内壁焊有8 1 0 个提升斗，滚筒以 l o 16 r m i n ( 有的为2 l6r m i n ) 的速度旋转，提升斗把钢球带到最 高点下落，钢球表面互相撞击一定时间后得以强化( 见图2 1 a ) ) ： b ) 直径为9 5 2 5 0 m m 以下的钢球强化处理时，滚筒内中心轴上装 的一个转速为4 5 4 4 5r m i n ( 有的为1 6 0 15 0 0r m i n ) 的转子，钢球 由提升斗提升到最高，处，落下到旋转的转子叶片上，再将钢球发射出 去，增加钢球的撞击力( 见图2 1 b ) ) 。 9 钢球热处理后进行表面强化处理，然后再经( 粗磨) 、精磨、精 研等工序加工成符合g b 3 0 8 8 4 规定的g l0 级精度的钢球。 a ) 巾9 5 2 5 0 m m 以上的钢球b ) 巾95 2 5 0 m m 以下的钢球 图2 1 钢球表面强化装置断面示意圈 2 3 钢球热处理工艺 钢球采用正常淬回火、降低淬火温度和提高回火温度三种热处理 工艺，具体热处理工艺和强化时间见表2 3 。 表2 3 钢球热处理工艺和强化工艺 组别热处理工艺强化时间 1 8 5 0 淬火15 0 一1 6 0 回火未强化 2 8 5 0 淬火15 0 一l6 0 回火强化3 5 h 3 8 3 0 淬火15 0 1 6 0 回火强化3 5 h 4 8 5 0 淬火17 0 一17 5 回火强化3 5 h 5 8 5 0 淬火15 0 16 0 回火强化1 o h 2 4 试验方法 2 4 1 硬度及硬化层深 钢球表面与心部硬度按照g b 2 3 0 一9 l 标准在h r l5 0 a 洛氏硬度 计上测定。 表面显微硬度采用m h 一6 型维氏硬度计进行测定。钢球表面强化 层的深度是从钢球表面垂直方向测量到显微硬度没有明显变化的那一 层的距离 i “。其制样及测量方法如下： 对4 ) 3 17 5 一巾15 0 8 12 m m 的钢球，先把钢球磨掉约直径达到1 3 争一 处，其表面不得有烧伤，边缘不得有磨痕和圆角。磨面向下进行镶嵌， 镶嵌材料可选用胶木粉等热压烧结材料。试样镶好后，先将被测面磨 制好，另一面用3 0 0 # 一4 0 0 # 细砂纸轻轻磨制，从而保证镶嵌试样两 面的平行度。 对巾1 5 0 8 1 2 一中2 5 4 0 0 0 m m 的钢球，用同样的方法先磨去钢球 直径约2 5 的平面( s ：) ，再在对应的另一端磨去钢球直径约l 3 ( s ) 成平面，并要保证两个对应平面的平行度，小面( s ；) 为待测面，其 边缘不得磨制成圆弧状。 显微硬度试验力的选择按钢球表面强化层的深浅程度，一般可选 用0 2 k g 进行测试。 测量钢球表面强化层深时，应将测试结果先经公式换算绘制成相 对于表面的硬度值变化曲线，然后由曲线转折点找出强化层的深度。 钢球表面强化层深度的计算公式为： e ：旦b 2 r 式中：e 一表示钢球表面强化层深度( m m ) 2 r 一表示钢球磨去面圆直径( m m ) 2 r 一表示钢球公称直径( m m ) b 一表示在钢球磨去面上所测得强化层的深度( m m ) 2 4 2 表面质量及金相组织 钢球试样经磨制、抛光后，采用4 硝酸酒精溶液侵蚀，在m g 金 相显微镜下放大5 0 0 倍观察钢球的淬回火组织，并按照j b t 】2 5 5 2 0 0 1 标准评级。 钢球的表面质量在m g 金相显微镜下放大1 0 0 倍观察。 2 4 3 微观组织分析 1 )微观亚结构 钢球的微观亚结构在透射电镜j e m 一1 0 0 c x 下观察。钢球表面的 金属薄膜试样制备比一般平面薄膜试样难以制备。通常采用的方法有 三种，一是低温镀铁法，即在钢球表面均匀镀上1 5 m m 的纯铁，再切 割成0 2 m m 厚薄片，为防手工研磨时出现倒角，薄片四周用双面刀片 保护，磨好后在基体与镀层分界处冲成巾3 m m 的圆片，再双喷穿孔。 该方法的优点是可以连续观察表面至心部的显微组织变化，缺点是镀 铁时间长，镀层较脆，成功率低。二是对直径较大的钢球，用线切割 机在钢球表面切取0 2 m m 厚的薄片，并将薄片平面部分用5 0 2 胶粘在 专用磨具上。先磨制球面部分，磨出直径为3 m m 的平面时将试样反 转，磨取另一个平面，待厚度为8 0bm 时进行双喷电解减薄。该方法 的优点是试样制各简单，成功率高，缺点是只能观察强化层的显微组 织。三是对直径小的钢球，首先用线切割机将钢球切割数片2 m m 厚的 薄片，从内侧用4 ：1 的酒精、高氯酸溶液进行喷注式电解，研磨至 2 5 0um 厚，接着再从钢球表面进行喷注式研磨，磨去1 5 0um ，使其 厚度约为1 0 0hm ，而后用4 ：l 的醋酸、高氯酸溶液进行精研，制成 观察用的薄膜。将磨制好的薄膜试样置于j e i 一1 0 0 c x 透射电镜下观 察。 2 ) 碳化物形态和含量 在金相试样上制取电镜复型薄膜试样，用j e m 1 0 0 c x 透射电 镜放大5 0 0 0 倍观察，每种钢球在相同面积的3 张照片上测量碳化物 的尺寸和数量，并绘制碳化物分布直方图。 2 4 4 残余应力及残余奥氏体 测量原理基于x 射线衍射理论，测量原理示意图见图2 2 所示。 当一束具有一定波长九的x 射线照射到多晶体上时，会在一定的角 度20 上接收到反射的x 射线强度极大值( 即所谓衍射峰) ，这便是 x 射线衍射现象。x 射线的波长 ，衍射晶面间距d 和衍射角20 之 间遵从著名的布拉格定律： 2 d s i l 30 = n 九 在已知x 射线波长 的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量 的衍别角20 与微观的晶面间距d 建立起确定的关系。当材料中有应 力。存在时，其晶面间距d 必然随晶面与应力相对取向的不同而有所 变化，按照布拉格定律，衍射角20 也会相应改变。因此，通过测量 衍射角20 随晶面取向不同而发生的变化来求得应力o 。 用x 射线衍射仪通过改变测量衍射角内的射线的方法可以测定 马氏体晶格的扩张状态，将衍射线的线幅作为附加测量参数来评估， 在射线的一半高度所测的值即所谓的半幅值或称为半高宽，由于半高 宽在很大程度上表述了晶格畸变的特征，所以把它作为塑性变形的直 接测量参数，同时它也被用来衡量微观残余应力的大小。 图2 2 残余应力测量原理示意图 钢球的残余应力按照g b 7 7 0 4 8 7 标准在新型x - 3 5 0 ax 射线应力 测定仪上检测，利用c r 、 ko 辐射f e ( 2 1 1 ) 晶面测定宏观残余应力， 采用0 4 5o 法计算应力。由于x 射线穿透金属表面的能力差，只能测 量表面的应力，为了测定表面强化层不同层深的残余应力，采用电解 抛光机对钢球表面进行逐点剥层，电解液为饱和食盐水，以测定露出 部位的残余应力。 钢球的残余奥氏体按照g b 8 3 6 2 8 7 标准在新型x 一3 5 0 ax 射线应 力仪上检测，在对钢球逐点剥层后，测不同层深的残余奥氏体含量。 2 4 5 钢球的振动及压碎负荷 钢球的振动值按照j b c q 8 7 8 7 标准在g s 一1 钢球测振仪上测定。 每种钢球检测10 粒。钢球的合套振动值按照j b t 5 3 1 4 一g l 标准在 b k 2 0 10 测振仪上检测。 钢球的压碎负荷按照j b l 2 5 5 2 0 0 l 标准在w e 一3 0 型万能材料试验 机上进行测定，每种钢球测量三组，取其平均值。 2 46 接触疲劳寿命 接触疲劳试验是在t l p 试验机上加装的五球式试验头中进行“” 固定在主轴上试验钢球由下部四个陪试球支承，上部试验钢球旋转时 靠摩擦力带动下部陪试球自转，并沿支承套圈的内表面围绕主轴轴线 运转。五球的相互关系如图2 3 ，如此便可模拟向心球轴承的工作 条件而进行接触疲劳试验。当钢球表面剥落一定大小时，由自动停车 仪控制停车。试验机主轴转速2 0 4 0 r m i i 1 ，采用低于5 0 的2 0 号机 械油循环润滑，据计算润滑油膜的厚度为0 6 5 9um ，油膜参数为 0 4 5 ，可见润滑状态良好，均在全油膜状态下进行试验。试验钢球 的最大接触应力为5 6 0 0 m p a ，每组试验12 个钢球，各组钢球分别在每 台试验机上交替等量进行。 钢球接触疲劳寿命按二参数w e ib u l l 分布的最佳线性不变估计， 分别处理每组钢球的疲劳寿命试验数据，计算出斜率参数b ( 表示接 触疲劳寿命的离散程度或试样接触疲劳寿命的稳定性) 、特征寿命 v 。( 服从威布尔分布，失效概率为6 3 2 时的子样接触疲劳寿命) 及额 定寿命l 。( 服从威布尔分布，失效概率为1 0 时的子样接触疲劳寿 命) 和中值寿命l 。( 服从威布尔分布，失效概率为5 0 时的子样接 触疲劳寿命) ，计算公式如下： a ) 钢球接触应力循环次数计算 n = 5 6 3 88nt 式中：n 一接触应力循环次数； n 一钢球转速，r m i n ； t 一试验时间，m i n 。 b ) 威布尔分布参数b 和v s 采用最佳线性不变的估计 b ：了j 一 2 3 0 2 6 c t ( n ，r ，i ) g n i ，= l l g v s = d i ( n ，i ) i g n i r - i 式中：b 一威布尔分布斜率参数； v s 一威布尔分布特征寿命： c j 和d i 一最佳线性不变的估计系数，从g b l 0 6 2 2 8 9 标准附录d 中查出。 ( c ) l 1 0 和l 5 0 的计算 由得到的斜率参数b 和特征寿命v s 的估计值，按下式分别计 算额定寿命l 10 和中值寿命l 5 0 ： l 1 0 = v s ( 0 1 0 5 3 6 ) l 5 0 ：v s ( 0 6 9 3 15 ) l ( i i i )2 ( i v )5(v) 7( i i )为支承球： 3 ( 1 、2 、3 、4 ) 为试验球 与支承球接触点： 4 ( 5 、6 、7 、8 ) 为支承球 间接触点。 图2 - 3 接触疲劳试验球与支承球相互关系简图 第三章试验结果与分析 3 1 钢球的表面硬度和硬化层的硬度分布 3 1 1 不同规格尺寸的钢球强化前后硬度及均匀性 钢球热处理后经表面强化处理，其表面硬度比心部硬度明显增 高，表3 1 为表面强化处理前后钢球的表面硬度及硬度均匀性的对 比。钢球经表面强化后，一般表面硬度可增加1 o 一3 o h r c ，其硬度 增量h r c 与钢球的规格尺寸有关，一般钢球直径小于l o m m 时，h r c 约为1 o 一2 o h r c ，钢球直径大于1 0 m m 时，其h r c 可达2 o 一3 o h r c ， 如表3 1 所列中1 7 4 6 m m ( 1 l 1 6 i n ) 钢球的表面硬度增量达4 2 h r c 。 表征钢球表面硬度均匀性的单个钢球的球内散差晟大值与平均值，同 批钢球的球问批差，经表面强化处理后，均有不同程度的减小，也即 改善了钢球表面硬度的均匀性与分散性。 表3 一l钢球表面强化处理前后的表面硬度及其均匀性 ( h r c ) 钢球规格热处理后强化处理后( 5 小时) 序球内散差球内散羞 表面 m m1 n平均最火平均球间平均最大平均球间 硬度 号硬度批差硬度批差 增量 h r c l4 7 6 3 1 66 4 82 0 0 9 62 46 5 91 6 0 8 81 61 1 27 1 4o 3 2 6 2 41 1 o 4 l1 76 3 8o 6 0 4 71 1 14 37 9 4 5 1 66 3 50 8 0 7 0o 86 4 91 o 0 4 71 01 ，4 4 9 5 33 86 3 11 i 0 7 3 1 76 5 3 1 o o 6 3 1 12 2 5 1 2 3 03 1 6 46 4 8o 8 0 5 6 1 26 5 9 o 6 0 2 9 1 21 1 61 3 4 9 17 3 26 2 7 0 9 0 4 3 0 96 5 81 i o 4 90 83 1 71 42 99 166 4 21 2 0 9 9 1 16 6 80 7 o 3 8o 92 6 815 0 81 9 3 2 6 4 31 2 0 4 3 1 26 6 9 1 i 0 4 4 1 126 917 4 6 1 1 166 2 41 i 0 6 31 16 6 ，60 9 o 6 01 1 4 2 1 02 54 0 16 3 50 6 0 4 01 5 6 5 80 7 04 10 823 注1 、表列平均值为7 个钢球2 1 点的测量平均值： 2 、球内散差一最大为7 个钢球中某个钢球三个测点中晟大与 摄小的差值：平均为各个钢球最大与最小之间差值的算术 平均值； 3 、球问批羞一7 个钢球2 1 个测量点中最大与最小硬度之差值。 3 1 ，2 强化处理前起始硬度对强化后硬度的影晌 钢球强化处理后最终的表面硬度和硬化增量( 即表面硬度的增加 值) a h r c 与钢球强化前的起始硬度有关。表3 2 列出了不同规格钢 球强化处理前后的硬度值，由表3 2 可知，经强化处理后钢球的起始 硬度越低，一般硬度增量a h r c 越大。但因起始硬度较低，强化后的 最终表面硬度相应的仍是较低，因此，为使强化处理后钢球的表面硬 度不致过高，应采用不同的热处理工艺调节钢球强化处理前的起始硬 度。 一般来讲，钢球的淬火温度越低，其相同温度回火后的硬度也低。 在相同温度下淬火，回火温度越高，硬度也越低。具有较低硬度的钢 球强化以后的最终表面硬度相应较低，但强化前后的表面硬度增值较 大。故适当调节淬火加热温度或回火温度，使钢球获得适当的基体硬 度，以此来控制钢球强化后的表面硬度。 表3 2 钢球起始硬度对强化处理后的表面硬度的影响( h r c ) 钢球尺寸 表面硬度增 热处理后强化处理后 m ml n量a h r c 6 1 16 3 7 2 6 7 9 3 85 16 6 1 46 4 32 9 6 1 26 4 83 6 1 2 71 26 2 76 6 o3 3 6 4 36 7 53 2 6 2 46 5 12 7 1 4 2 99 1 6 6 4 56 6 82 3 6 2 36 5 73 4 1 7 4 61 1 1 6 6 5 o6 5 91 9 3 1 3 表面强化工艺对钢球表面硬度的影晌 钢球表面硬度还与强化的时间长短有关。试验研究认为，钢球表 面硬度快速增长期的长短与其尺寸大小有关，尺寸较小的钢球表面硬 度的快速增长期较长，一般为3 5 小时，而尺寸较大的钢球表面硬 度的快速增长期较短，一般为2 3 小时，故对于尺寸较小的钢球， 应适当延长表面强化时间。在快速增长期以后继续延长强化时间，钢 球表面硬度的增加缓慢并趋于稳定。 3 1 4 表面强化层的硬度分布及强化层深 钢球表面强化层的深度通过用显微硬度计测定钢球由表面到心部 的显微硬度变化曲线来判定的，钢球表面强化层的深度是从钢球表面 垂直方向测量到显微硬度没有明显变化的那一层的距离。钢球表面强 化处理后，表面硬度增高，由钢球表面至心部的显微硬度变化曲线可 知( 见表3 3 、3 4 及如图3 一l 、3 2 所示) ，强化钢球由表及里显微 硬度逐渐降低，以巾1 1 1 l2 5 m m 钢球为例，大约在距表面0 6 0 8 m m 处至心部，显微硬度变化不明显，故表面强化层深大约也为0 6 0 8 m m 。可见，同一规格不同热处理工艺的钢球( 即