滾動軸承表面強化技術發展趨勢

王曉強，劉佳，卜敏，崔鳳奎

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.中國船舶重工集團公司七二五研究所，河南 洛陽471023)

軸承作為機械關鍵基礎件，直接影響整個裝備系統的運行狀態。隨著機械行業的發展,對滾動軸承耐磨、耐蝕、抗疲勞性能等提出了更高要求[1]。從表面強化技術角度進一步提高滾動軸承的可靠性和使用壽命至關重要，目前在該技術方面的研究也已取得部分成果，但表面強化過程中仍存在一系列問題，需要進行深入的探討。因此，對現有研究成果進行分析和總結，預測滾動軸承表面強化技術的發展趨勢，為進一步深入研究提供思路。

1 軸承表面強化技術方法與特點

目前適用于滾動軸承表面強化的技術主要有：表面涂層、表層改性和表面機械強化[2]。

1.1 表面涂層技術

表面涂層是在基體表面涂覆一層或多層不同材料的薄膜，有機地將基材和表面涂層的性能特點結合起來，發揮兩類材料的綜合優勢，同時滿足對強度、耐磨、耐蝕等性能的要求，達到強化軸承的目的。表面涂層技術主要包括熱噴涂、粘結固體潤滑涂層、高分子涂層、堆焊、溶膠-凝膠法[3]等。工程中常用于制造涂層的材料很多，主要包括陶瓷材料、類金剛石、金屬碳氮化物以及復合材料[4-6]等。表面涂層的最大優勢是能夠以多種方式制備出優于基體材料性能的薄涂層，技術設計關鍵在于涂層與基體間的結合度、熱膨脹特性與斷裂韌度。

表面涂層技術的優點是，可以提高滾動軸承的硬度、耐蝕性、耐磨性、改善摩擦條件，但仍存在涂層與基體結合度不理想，鍍層厚度不一，鍍液使用壽命較短，設備成本高等問題。

1.2 表層改性技術

表層改性通常是利用物理、化學等手段使零件表層的組織、化學成分、微觀結構等發生改變，從而達到理想的表層強化效果，起到延長軸承壽命、降低軸承摩擦力矩，提高軸承可靠性的作用。常用表層改性技術包括化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)、離子注入、激光表面強化和等離子擴滲處理等[7]。

雖然表層改性技術對滾動軸承表面處理是一種較好的技術，但仍存在一些問題：1)表層改性技術強化軸承所需的設備成本很高，且利用化學手段處理很容易產生有害氣體；2)很難處理形狀較復雜的零件，如有殼、凹面等形狀的零件；3)強化過程復雜，在實際應用中很難大規模推廣，不利于規模化生產，目前僅在軍工、航空航天等小范圍內應用。

1.3 表面機械強化

表面機械強化是利用冷壓方法使零件表層產生塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生滑移，晶粒被拉長，表層不規則的波峰金屬擠進波谷，使表層金屬得到強化，提高表面硬度，改善表面質量；同時表層產生殘余壓應力，可顯著提高零件的抗疲勞性能。傳統的表面機械強化主要包括噴丸與滾壓強化。

噴丸強化是采用高速噴射的方法，通過壓縮空氣將丸珠噴射到零件表層從而使表層產生殘余壓應力和硬化層，以達到提高疲勞強度和使用壽命的目的。

滾壓強化是一種無切削的加工方法。滾壓過程中，通過驅動特制的滾壓工具在零件表面往復滾壓。滾壓方式有滾柱滾壓和滾珠滾壓。表面滾壓強化可將金屬表面微觀凸峰壓平，降低零件表面粗糙度值；同時，由于在零件表面產生塑性變形層，使表層晶粒細化，硬度提高，并形成了殘余壓應力，從而使零件的耐磨性、抗疲勞性能得到明顯改善。

雖然噴丸和滾壓強化都能使工件表層產生硬化層和殘余壓應力，但噴丸存在使工件表面粗糙度值增大及過硬化等問題；滾壓方法易使靜壓力過大，造成薄壁類軸承表層產生冷作硬化而變脆，降低疲勞壽命。

另外，近年來在表面機械強化技術領域將大功率超聲技術用于軸承表面強化方法的研究得到了迅速發展，主要包括超聲噴丸強化、超聲擠壓和超聲滾壓等技術。將功率超聲用于滾壓、擠壓等軸承表面強化可以很好地避免由于靜壓力過大造成的軸承表面劃傷，在引入殘余壓應力、細化晶粒的同時產生表面拋光的作用，因此該技術可以更好地處理薄壁類軸承表面強化方面的問題。

1.4 小結

滾動軸承不同表面強化技術的優缺點見表1。

表1 滾動軸承表面強化技術優缺點Tab.1 The advantages and disadvantages of precise rolling bearing surface strengthening technology

2 研究現狀

2.1 國外研究現狀

對于表面涂層、表層改性強化技術，國外學者對其進行了大量研究。在涂層的研究與應用中，運用有限元軟件進行仿真，設計涂層，對涂層材料進行性能測試。文獻[8]采用冷噴涂法在新型銅合金表面制備一層抗氧化保護層，并在高溫條件下對抗氧化層進行了抗氧化能力的分析。文獻[9]利用等離子噴涂技術在TiAl合金表面噴涂Al-21Ti-23Cr涂層，由于化學成分相似，使涂層與基體之間具有較好的結合性，并具有較高的抗高溫氧化性能。文獻[10]采用等離子噴涂設備，制備出Al2O3-TiO2納米涂層，并與成分相同的普通粉末制備的涂層性能進行了對比分析，結果表明，相比普通涂層，納米涂層的耐腐蝕磨損性能提高了3倍。文獻[11]對單層CrN涂層和CrN/MoS2(Ti)涂層進行摩擦磨損特性比較，結果表明，在保持CrN基體良好的粘附特性基礎上添加MoS2(Ti)層對摩擦學性能有顯著改善，為CrN/MoS2(Ti)涂層在耐磨低摩擦應用中提供了科學依據。并且，大量的文獻表明，制備涂層的工藝參數與工藝條件選擇是否恰當，將直接影響滾動軸承的疲勞壽命[12-14]。

有關表層改性強化技術，文獻[15]采用等離子滲氮技術對3種不同熱處理后的AISI 52100鋼試樣進行改性處理，結果發現，在相同條件下，淬火和淬火+回火試樣在等離子滲氮處理后表面硬度有所降低；退火試樣在等離子滲氮后，表面顯微硬度卻明顯提高，且X射線衍射分析表明，表面生成了Fe4N等氮化物。文獻[16]用離子注入的方法對軸承表面進行了試驗研究，表明將大量的Mo+和N+注入軸承表面可有效提高軸承壽命。文獻[17]采用激光熔凝的方法對100Cr6鋼表面進行了試驗研究，通過掃描電鏡、光學顯微鏡觀察了改性后鋼表面的顯微組織，結果發現，選取合適的參數，100Cr6鋼表層組織形態發生變化，表層重新奧氏體化且厚度為23 μm。

有關表面機械強化，文獻[18]對2種材料鈦合金和不銹鋼進行強化，利用透射電鏡觀察對比分析滾壓與激光沖擊不同強化方法處理后材料表層性能，結果表明，滾壓強化對材料的疲勞性能、硬化程度等均優于激光沖擊強化。文獻[19]研究了滾壓后AA6110-T6鋁合金的殘余應力與疲勞性能之間的關系，通過滾壓后溫度的變化分析殘余應力產生的機理，且對疲勞性能的影響進行了解釋。文獻[20]根據試驗，針對AISI 304不銹鋼通過滾壓和激光噴丸的方法進行表面強化處理，分析了其產生的應力和熱穩定性與疲勞性能的關系，并敘述了相關形成原理。

對于表面機械強化技術領域中的超聲強化，文獻[21]應用有限元仿真軟件對超聲擠壓加工過程進行模擬試驗，研究表明，超聲擠壓相對于傳統擠壓強化可明顯降低靜壓力，且對工具頭磨損較小，工具與工件之間的摩擦對縱向振動影響很大。文獻[22]以Ti-6Al-4V合金材料為例，對超聲深冷滾壓與傳統深冷滾壓的滾壓力取值進行了比較，相同加工條件，得出超聲深冷滾壓的滾壓力更小的結論。

2.2 國內研究現狀

國內關于表面涂層、表層改性技術在軸承強化方面的研究很多。文獻[23]對牙輪鉆頭滑動軸承表面強化工藝和材料的系列開展了試驗研究，表明采用等離子堆焊DH-60粉末后軸承表面具有涂層致密、空隙率低、組織結構致密、涂層與基體材料的結合強度高等優點，并且磨損量較小，耐磨性提高30%左右，可以有效提高牙輪鉆頭軸承的使用壽命。文獻[24]利用超音速等離子噴涂技術制備了不同噴涂功率條件下的NiCr-Cr3C2涂層，研究了其表面摩擦學性能。分析表明，隨噴涂功率的不同，噴涂粒子的溫度和速度對涂層表面分子間作用力產生影響，從而間接改變了涂層表面的自由能，并且自由能及其分量的改變會直接影響NiCr-Cr3C2涂層表面的摩擦學特性。文獻[25]采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術在AISI 52100鋼表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜，對合成薄膜前后試樣的滾動接觸疲勞壽命和摩擦磨損性能做測定，結果表明，TiN膜層致密均勻，與基體結合良好，軸承鋼硬度和疲勞壽命得到了顯著改善。文獻[26-27]使用離子注入和離子束混合技術對GCr15，9Cr18，9Cr18Mo等鋼分別進行處理，結果表明，處理后顯著提高了試樣的耐腐蝕、耐磨、抗疲勞壽命等性能。文獻[28]對比研究了等離子滲氮GCr15鋼與GCr15鋼基材在含氮硼酸酯潤滑條件下的摩擦磨損性能，結果表明，滲氮鋼在質量分數為1.25%氮硼酸酯的潤滑條件下摩擦因數很小，比未滲氮鋼分別降低了34%和45%。文獻[29]采用稀土處理和丙酮處理技術對PTFE纖維/芳綸纖維混合編織襯墊進行了改性處理，研究了襯墊改性對自潤滑關節軸承摩擦學性能的影響，結果表明，與未經改性處理襯墊的軸承相比，經稀土處理和丙酮處理后自潤滑關節軸承減磨耐磨性能均得到提高。

對于表面機械強化，文獻[30]對未經過和經過表面強化加工的軸承鋼球的應力分布狀態進行了測試，通過強化加工后，鋼球的次表面出現殘余壓應力，且出現強化峰值，有利于提高鋼球壽命。文獻[31]對薄壁環形零件滾壓成形過程進行了仿真和成形試驗，對試件變形區的力學特征以及應力應變分布規律進行了分析，證明了采用滾壓強化處理薄壁環形零件的可行性。文獻[32]對滾壓強化對高碳鉻軸承鋼超長壽命疲勞行為影響研究發現：在高應力低壽命區，試樣處理前后疲勞裂紋均產生于試樣表面，由于存在表面殘余壓應力，疲勞強度有所提高；在低應力高壽命區，試樣未處理時疲勞裂紋產生于次表面，試樣處理后疲勞裂紋產生位置發生轉移，移動至內部硬化層和無殘余壓應力的部位，較大地提高了疲勞強度。

對于超聲強化，文獻[33]分析了45#鋼在不同工藝參數下超聲擠壓對材料表面粗糙度和顯微硬度的變化。結果表明，45#鋼材料表面顯微硬度和表面粗糙度受工具頭半徑、預壓力和進給速度影響明顯，并給出了最優值。文獻[34]的研究表明，40Cr試樣經過超聲滾壓處理后，表面形成了5 nm左右的納米層，表層晶粒尺寸得到細化；在對表面粗糙度的影響方面加工次數、靜壓力和振幅的趨勢相似，在適當范圍內增大，40Cr的表面質量得到顯著改善。文獻[35]介紹了一種超聲深滾與滾光一體化抗疲勞技術，使工具頭在進行大振幅擊打和快速進給被加工表面時可以產生近無摩擦狀態，不會對工件表面造成劃傷，因此，可以在引入大深度殘余壓應力時對被處理表面進行拋光，同時使工具頭的磨損降低。

3 軸承強化技術發展趨勢

滾動軸承表面強化技術未來的研究內容和發展趨勢如下：

1)復合強化工藝

目的是進一步提高強化效果，解決單一強化過程中常見的由于作用力大、摩擦等原因造成滾動軸承表面產生彈性變形、表面粗糙度值增大等問題。如超聲滾擠壓加工、物理和化學氣相沉積同時進行離子注入等復合強化方法。如何將2種工藝產生的表面改變綜合考慮以實現最佳強化效果是復合強化工藝研究的難點。

2)納米表面強化技術

納米改性技術已成為提高特殊環境條件下滾動軸承使用壽命的一種有效手段。納米強化可以顯著改善材料的組織結構或賦予材料新的性能，軸承可獲得較高的硬度、良好的自潤滑性、耐磨性及耐蝕性。目前，各種采用納米粉末改性的金屬、高分子材料，采用表面納米噴涂技術的絕緣軸承等已在國外取得了重大進展，但納米表面強化技術在國內尚處于起步階段，如何將納米表面強化的優異性能賦予到滾動軸承上以提高其可靠性具有重要的研究意義。

3)組織強化機理的研究

目前對軸承表面強化只是一些基礎性的試驗探究，對強化過程中材料表層微觀組織強化機理的研究尚缺乏系統性。需要進一步深入研究晶粒尺寸、微觀應力、微觀應變在其表層的變化規律；探討晶粒級的塑性變形機理、晶粒位錯的產生和滑移規律。考慮不同強化方法中工藝參數對微觀組織的影響，建立工藝參數與微觀組織特征參數的關系，對于預測和控制強化過程中金屬組織演變，最終使軸承獲得良好的力學性能。