碳氮共滲預處理對球軸承壽命的影響

趙坤，張國威，朱洪峰

(慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301)

隨著工業發展的需要，在惡劣的工作條件下，比如污染潤滑條件下，高壽命、高耐磨性軸承的需求越來越大[1]。

GCr15軸承鋼是一種合金含量少、性能優良、應用廣泛的高碳鉻軸承鋼，常規淬回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能和一定的沖擊韌性。為提高軸承的壽命與耐磨性，可對零件的表面進行強化處理，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等。氮原子的直徑與碳原子相近，能夠溶入α-Fe和γ-Fe形成間隙固溶體，氮能夠降低Ms點溫度，對鋼件表層進行滲氮或碳氮共滲處理可改善表層多種性能[2]。

通過對GCr15軸承套圈使用碳氮共滲預處理并淬回火，研究碳氮共滲處理后套圈的淬回火金相組織、表層硬度、表層應力與殘余奧氏體，并與未經碳氮共滲處理的GCr15軸承套圈進行對比分析。

1 試驗

1.1 試樣

將GCr15鋼制6202W9軸承內、外圈作為試樣，其化學成分見表1。

表1 試樣的化學成分Tab.1 Chemical composition of sample w，%

1.2 試驗工藝

試驗在箱式熱處理爐中進行，碳氮共滲方案和熱處理工藝見表2和表3。

表3 碳氮共滲熱處理工藝Tab.3 Heat treatment process for carbonitriding

未經碳氮共滲處理的試樣在R300型連續網帶爐上進行淬火處理，熱處理工藝見表4，該試樣未經過水冷處理。

表4 未碳氮共滲熱處理工藝Tab.4 Heat treatment process for not uncarbonitriding

1.3 檢測儀器

使用HXD-1000TMJC型顯微維氏硬度計測量碳氮共滲硬化層硬度。使用ZEISS Axio Scope金相顯微鏡觀察顯微組織。使用X-350A型X射線應力測定儀測量試樣的表層殘余應力和殘余奧氏體。

2 結果與分析

2.1 顯微組織對比

在不同的共滲溫度下，套圈的組織和硬度見表5。由表可知，不同的共滲溫度對組織和硬度的影響差別不大，試樣的表層組織均為2級[3]，心部組織為2～3級[4]，硬度的差別也不大，且組織和硬度均在合格范圍內。但是在碳氮共滲的過程中為了細化組織，在試驗中將共滲溫度設定為840 ℃。

表5 不同共滲溫度下的組織和硬度Tab.5 Microstructure and hardness under different carbonitriding temperatures

對采用表3中共滲溫度為840 ℃的碳氮共滲熱處理工藝的試樣組織進行分析。碳氮共滲預處理試樣和未碳氮共滲預處理試樣經淬、回火的低倍和高倍金相組織如圖1和圖2所示。

圖1 淬、回火后的低倍金相組織(200×)Fig.1 Microstructure at low magnification after quenching and tempering(200×)

由圖1a、圖2a和圖2b可知，碳氮共滲預處理并淬回火后，軸承鋼的金相組織由碳氮共滲層和心部組織組成。1)碳氮共滲層(含過渡層)：結合金相法與硬度法的測量得知碳氮共滲有效硬化層深度約為0.31 mm，其滲層顯微組織為含氮馬氏體+殘余奧氏體+碳氮化合物，細小的碳氮化合物顆粒均勻地分布在基體上，其數量相較于心部組織顯著增多，含氮馬氏體為3級，碳氮化合物為2級[3]。2)心部：隱針馬氏體+細針馬氏體+均勻分布的細小顆粒碳化物+殘余奧氏體，馬氏體為2級，碳化物為1級。結合圖1b和圖2c可知，未碳氮共滲預處理的軸承鋼表面和心部組織都是由隱針馬氏體、細針馬氏體、殘留的細小顆粒碳化物以及少量殘余奧氏體組成的正常的淬回火馬氏體組織，馬氏體為2級，碳化物為1級。

圖2 淬、回火后的高倍金相組織(500×)Fig.2 Microstructure at high magnification after quenching and tempering(500×)

2.2 碳氮共滲對硬化層硬度的影響

碳氮共滲預處理試樣和未碳氮共滲預處理試樣經淬、回火后的硬度梯度如圖3所示。由圖可知，碳氮共滲預處理試樣心部和未碳氮共滲預處理試樣的硬度差別不大，處于正常的合格范圍內。但是碳氮共滲預處理試樣在碳氮共滲層的硬度大于未碳氮共滲預處理試樣，最大差值約為3 HRC。這是因為：一方面，碳氮共滲后，淬火加熱時氮元素固溶于γ-Fe中形成固溶體(含氮馬氏體)，對軸承鋼起到固溶強化作用；另一方面，尚未溶解和回火時析出的細小碳氮化合物以顆粒狀在馬氏體基體上彌散分布，形成彌散強化。這說明碳氮共滲預處理提高了套圈的表面硬度和耐磨性，使其在工作中不易形成壓痕，從而提高了軸承壽命。

圖3 碳氮共滲預處理對硬度梯度的影響Fig.3 Effect of carbonitriding pretreatment on hardness gradient

2.3 碳氮共滲對表層應力狀態的影響

碳氮共滲與未碳氮共滲試樣淬火后表層應力分布如圖4所示。由圖可知，經過碳氮共滲預處理的試樣表層應力為壓應力，而未經過碳氮共滲預處理的試樣表層應力為拉應力。各種研究以及資料表明，表面壓應力能夠有效地提升軸承的壽命[5]，這是因為：一方面，碳氮共滲之后，表層中馬氏體的Ms點溫度由于碳、氮含量增加而降低，導致在淬火過程中表層的應力狀態發生改變而形成表面壓應力，而表面壓應力能夠使軸承的耐磨性和滾動接觸疲勞性能提高；另一方面，碳氮共滲后形成的表面壓應力使氫的滲入和擴散受阻，同時，由于表層密集分布的細小顆粒碳氮化合物比較耐磨損，故不易形成新鮮金屬表面，金屬的催化作用減弱，氫的生成變得困難，氫脆現象的發生幾率大為降低，從而軸承的壽命得到提高。

圖4 試樣淬火后表層應力分布Fig.4 Stress distribution of surface layer in samples after quenching

2.4 碳氮共滲對表層殘余奧氏體的影響

碳氮共滲預處理和未碳氮共滲預處理試樣表層的殘余奧氏體含量如圖5所示，經過碳氮共滲預處理的試樣，其表層中殘余奧氏體的含量要大于未經過碳氮共滲預處理的試樣。

圖5 碳氮共滲預處理對表層殘余奧氏體含量的影響Fig.5 Effect of carbonitriding pretreatment on content of retained austenite in surface layer

最新的研究表明，表層中較高的殘余奧氏體能夠提高軸承的壽命[5-6]。這是因為在污染潤滑條件下發生表面起源型剝落時會先形成壓痕，壓痕尺寸越大，邊緣曲率越小，應力集中越大，壽命越低。因此提高壽命的有效途徑是減小壓痕尺寸，使壓痕邊緣曲率增大。而較多且穩定的殘余奧氏體因其易變形的特性可降低壓痕的邊緣效應，阻止疲勞源的形成和擴展。

2.5 碳氮共滲對材料疲勞壽命的影響

將碳氮共滲預處理的軸承與未經碳氮共滲預處理的軸承各4套在同等條件下進行疲勞壽命測試，結果見表6。測試條件：室溫；轉速為6 000 r/min；軸向載荷為60 N；徑向載荷為1 900 N；潤滑狀態為污染潤滑，污染物顆粒≤10 μm；基本額定壽命L10為181 h；測試設備為ABLT-1A軸承疲勞壽命試驗機。

表6 碳氮共滲預處理對軸承壽命的影響Tab.6 Effect of carbonitriding pretreatment on life of bearing

從表6中可以看出，經過碳氮共滲預處理軸承的疲勞壽命比未經過碳氮共滲預處理軸承的高，實際疲勞壽命比值達到930.8/419.9=2.22倍。

3 結論

1)經過碳氮共滲預處理后淬、回火，套圈表層的滲層顯微組織主要為含氮馬氏體、殘余奧氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細小顆粒碳氮化合物。

2)經過碳氮共滲預處理后淬、回火，套圈表層的硬度大于未經過碳氮共滲預處理的套圈。

3)套圈經過碳氮共滲預處理后，表層應力狀態表現為壓應力。

4)經過碳氮共滲預處理后，軸承套圈表層中的殘余奧氏體含量得到了提高。

5)經過碳氮共滲預處理后軸承的疲勞壽命比未經過碳氮共滲預處理軸承的高，實際疲勞壽命比值可達2.22倍。

綜合以上分析與測試可以得出，碳氮共滲預處理工藝可以有效地提高軸承的使用壽命。使用碳氮共滲預處理的6202W9,6004W10軸承已經批量生產并應用于汽車空調壓縮機上，產生了良好的經濟效益。