中合金鉻鉬滲氮軸承鋼旋轉彎曲疲勞性能研究

尉念倫 孫世清

摘 要：為了研究化學熱處理對大型軸承疲勞性能的影響規律，對中合金鉻鉬軸承鋼進行離子滲氮處理和旋轉彎曲疲勞（RBF）試驗。以雙真空熔煉（VIM+VAR）的中合金鉻鉬軸承鋼作為實驗材料，分析經調質處理（930 ℃+550 ℃）后的組織和經離子滲氮后的相組成，分析經過旋轉彎曲疲勞試驗后斷口形貌及裂紋萌生機理，構建表面缺陷與疲勞斷裂機理之間的關系。實驗結果表明：實驗鋼經過調質處理后組織為回火索氏體，主要析出M2C型和M3C型碳化物;滲氮后滲氮層中化合物層主要由CrN和Fe4N（γ′相）組成，厚度約為16 μm，其不利于基體的疲勞性能提升;實驗鋼滲氮后的RBF極限為947 MPa，較未滲氮試樣旋轉彎曲疲勞極限提升19.4%;滲氮層中化合物層始裂及非金屬夾雜物始裂為主要的兩種起裂方式，化合物層和表層粗糙度對滲氮后實驗鋼的疲勞壽命影響較大。研究結果可為提高中合金鉻鉬軸承鋼的疲勞性能提供實驗及理論依據。

關鍵詞：黑色金屬及其合金;滲氮軸承鋼;旋轉彎曲疲勞;起裂;表面粗糙度

中圖分類號：TG156.8+2?文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2019）04-0344-07

軸承作為機械設備中重要的零部件，普遍應用在交通運輸、航空航天、機械制備等領域[1-3]。軸承的失效形式有很多種，經統計發現主要的失效形式為疲勞失效[4-5]。RBF試驗是指試樣承受彎矩的同時旋轉一定周期N后斷裂失效。實驗證明，RBF性能能夠很好地反映出材料的疲勞性能[6-8]。由于軸承的工作條件比較惡劣，其表面易受到周期性沖擊，加之與軸的相互摩擦以及受到起潤滑作用的介質腐蝕等，因此生產出來的軸承表面應兼有較高的抗磨損性、高硬度、良好的耐蝕性和抗疲勞性等。研究人員發現，通過滲氮技術能夠很好地提高軸承鋼的耐蝕性、抗疲勞性[9-13]。

中合金軸承鋼大多應用在軸承制造中的原因，是其表面經過滲氮后具備優異的耐磨性、抗疲勞性，基體內部有良好的強韌性匹配，并且價格低廉[14-18]。中合金軸承鋼滲氮后還可以通過冷處理來提高材料性能[19]。本文主要研究中合金鉻鉬軸承鋼滲氮后的旋轉彎曲疲勞性能，觀察疲勞斷口和分析微裂紋萌生機理，并建立表面缺陷與疲勞斷裂機理之間的關系。

1?實驗材料及方法

采用經過VIM+VAR的中合金鉻鉬軸承鋼為實驗原料，其化學成分如表1所示。

取Ф15 mm棒料，加工為RBF試樣坯料，進行調質處理，工藝為930 ℃×1 h+OQ（油淬）+550 ℃×2 h+AC（空冷）。之后將試樣精加工為規定的圓柱形試樣，截面最小為Ф6 mm。采用IPSEN真空離子滲氮爐進行滲氮，NH3作為滲氮劑，滲氮工藝為四段式氣體滲氮，第1步先在550 ℃保溫13 h;第2步進行強滲，將氮勢降低為2，保溫15 h;第3步繼續降低氮勢，保溫10 h，此步目的是防止氮勢過高、滲氮時間過長，在滲氮層內部出現粗大的脈狀組織;第4步進行退氮處理，時間為13 h，其目的與第3步相同。采用PQ1-6型懸臂梁型RBF Test機，四點加載，轉速V=5 000 r/min，應力比R=-1。試樣斷裂或循環周次N=107即終止試驗。利用升降法繪制疲勞升降圖、成組法繪制S-N曲線。利用掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌，利用OLS4100型激光共聚焦顯微鏡（LEXT）測量機加工表面溝槽深度，對裂紋萌生機理進行分析并構建表面缺陷同疲勞破壞機理之間的關系。

2?實驗結果及分析

2.1?實驗鋼的組織與性能

經調質處理后實驗鋼組織為回火索氏體，呈板條狀。實驗鋼析出碳化物的強化相主要為M2C和M3C，經過透射標定后，確定實驗鋼中長條狀碳化物為M3C，其結果如圖1所示。

經過滲氮處理后，測得有效滲氮層深度為400 μm，硬度分布較為均勻，化合物層的深度約為16 μm，主要由CrN和Fe4N（γ′相）組成，如圖2所示。利用顯微硬度計測得化合物層硬度高達1 000 HV。由于化合物層硬度較高，當受到外加壓應力或沖擊載荷時容易開裂，因此在生產中均要去除化合物層。

2.2?實驗鋼的疲勞升降圖及S-N曲線

疲勞升降圖如圖3 a）所示，S-N曲線如圖3 b）所示。終止循環次數為107周次，應力增量Δσ為40 MPa，實驗鋼在>1 000 MPa時全部斷裂。通過觀察S-N曲線發現滲氮后試樣分布梯度廣，離散度較大，其置信度為50%，測得中合金鉻鉬軸承鋼滲氮后的RBF極限為947 MPa。按照同樣的測試方法測得未滲氮的中合金鉻鉬軸承鋼的RBF極限為793 MPa，通過對比可知，經過滲氮處理后試樣的RBF極限增加了154 MPa，提升了19.4%。結果表明，中合金鉻鉬軸承鋼的RBF極限可通過表面滲氮提升。

2.3?旋轉彎曲疲勞斷口觀察

經過RBF試驗后，觀察斷口可知在試樣的表層與基體內部的非金屬夾雜物處均存在疲勞裂紋起裂，且疲勞斷口均由3個區域組成，分別為Ⅰ區（疲勞源區）、Ⅱ區（裂紋擴展區）和Ⅲ區（瞬斷區），如圖4所示。觀察2個斷口發現Ⅲ區均位于斷口心部且面積較小，這表明試樣在整個疲勞失效過程中，裂紋的萌生和擴展階段占據絕大部分時間，裂紋一旦成核即沿滲氮層進行擴展，形成環形裂紋后向內擴展，因此Ⅲ區均在斷口心部。

經統計，斷裂試樣發現表面起裂試樣與夾雜物起裂試樣分別占斷裂試樣的47.3%和52.7%，在夾雜物起裂試樣中，基體中非金屬夾雜物起裂約占12.5%，如圖5所示。通過能譜分析可知基體內部的非金屬夾雜物為圓形的Ca-Si-Al復合夾雜物。

觀察N>106試樣的斷口發現，其滲氮層表面比較平整，在基體內部沒有出現魚眼區。通過高倍SEM觀察發現，在滲氮層中出現夾雜物，經過能譜分析確定夾雜物為Cr-Ti復合夾雜物和Ca-Si-Al復合夾雜物，并且在夾雜物周圍也沒有出現魚眼區，如圖6所示。推測其起裂方式為滲氮層中非金屬夾雜物起裂。

當出現基體內部夾雜物起裂時，裂紋的萌生及擴展速率很小，原因是滲氮層的硬度大以及滲氮層附加殘余壓應力會抑制其擴展。裂紋尖端擴展速率與N成正比，當裂紋擴展到滲氮層時，由于滲層的硬度極大，塑性相對較差，會導致裂紋沿著滲氮層環呈發散狀擴展，如圖5 a）所示。

觀察表面起裂的試樣發現存在兩種起裂方式，表面化合物層起裂和表面缺陷起裂，如圖7所示。這兩種起裂的N均小于基體內部夾雜物起裂試樣。其中表面缺陷起裂的N不足105，這說明表面缺陷對于試樣的疲勞壽命影響較大。

2.4?疲勞裂紋萌生

中合金鉻鉬滲氮軸承鋼RBF試樣在進行精加工時，一方面會出現表面粗糙度過大的狀況，另一方面會出現缺口和溝槽。這兩種情況都會對試樣疲勞破壞產生影響。文獻[20]在夾雜物面積參數areas中引入了表面缺口和溝槽，以此來顯示表面粗糙度對高周疲勞的影響。文獻[21]在BF，R10，R16，R19四種不同粗糙度下對JIS-SNCM439高強鋼的疲勞極限進行測試發現，當表面溝槽平均深度a等于平均粗糙度Ra時有較小誤差。利用LEXT測得未經過RBF試驗的滲氮軸承鋼表面溝槽平均深度a=Ra=0.476 μm，平均峰間距2b=18.057 μm，如圖8所示。

利用相同的測試方法測得未滲氮試樣的表面溝槽平均深度a=Ra=0.558 μm>0.476 μm。經分析后發現，當未滲氮旋轉彎曲試樣的加載應力明顯小于滲氮試樣時，其ΔK均大于滲氮試樣。由相分析圖譜可知，滲氮試樣化合物層為CrN+Fe4N，其硬度高達1 000 HV。由于化合物層的楊氏模量和擴散層的楊氏模量不同，當滲氮試樣處于循環應力下時，裂紋很容易在表面化合物層萌生，且試樣ΔK較小，極易超過臨界值而使裂紋迅速擴展到滲氮層，因此滲氮試樣壽命跨度較大，故生產中應盡量去除化合物層以提高軸承的使用壽命。

3?結?語

1） 中合金鉻鉬軸承鋼經過調質處理后組織為板條狀回火索氏體，析出的長條狀碳化物為M3C。

2） 中合金鉻鉬軸承鋼滲氮前旋轉彎曲疲勞極限為793 MPa，滲氮后高達947 MPa，提升了19.4%。表面滲氮處理可顯著提高中合金鉻鉬軸承鋼的疲勞性能。

3） 滲氮層表面起裂臨界應力強度因子ΔK=1.34×10-3σ，當化合物層存在時，由于其較高的硬度導致試樣疲勞壽命下降，因此在進行表面滲氮處理時應控制化合物層的形成或在機加工過程中去除化合物層，將有利于試樣疲勞壽命的提高。

4） 對于中合金鉻鉬滲氮軸承鋼中非金屬夾雜物引起的失效問題研究不足，以后主要對該方面展開研究。另外由于滲氮后會出現化合物層影響疲勞性能，需探索新的滲氮工藝來減薄甚至消除化合物層。

參考文獻/References：

[1]?WANG Liqin， LI Yunfeng. Boundary for aviation bearing accelerated life test based on quasi-dynamic analysis[J]. Tribology International， 2017， 116： 414-421.

[2]?DING Jianming.Fault detection of a wheelset bearing in a high-speed train using the shock-response convolutional sparse-coding technique[J]. Measurement， 2018， 117： 108-124.

[3]?XU Haifeng， YU Feng， WANG Chang， et al.Comparison of microstructure and property of high chromium bearing steel with and without nitrogen addition[J].Journal of Iron and Steel Research International， 2017， 24（2）：206-213.

[4]?車曉健， 楊卯生， 唐海燕， 等. 高性能GCr15軸承鋼中夾雜物控制與疲勞性能[J]. 鋼鐵， 2018，53（5）： 76-85.

CHE Xiaojian， YANG Maosheng， TANG Haiyan， et al. Inclusion control and fatigue performance in high performance GCr15 bearing steel[J].Iron and Steel， 2018， 53（5）： 76-85.

[5]?李守新.高強度鋼超高周疲勞性能[M].北京：冶金工業出版社， 2010.

[6]?GUAN Jian， WANG Liqin， ZHANG Zhiqiang， et al. Fatigue creak nucleation and propagation at clustered metallic carbides in M50bearing steel[J].Tribology International， 2018， 119：165-174.

[7]?HANNEMANN R， KSTER P， SANDER M. Investigations on crack propagation in wheelset axles under rotating bending and mixed mode loading[J].Procedia Structural Integrity， 2017， 5：861-868.

[8]?李林濤， 任耘， 楊卯生.0.30C-Cr-W滲氮軸承鋼的高周疲勞性能研究[J].熱加工工藝， 2017， 46（16）：35-38.

LI Lintao， REN Yun， YANG Maosheng. Study on high-cycle fatigue properties of 0.30C-Cr-W ntrided bearing steel[J].Hot Working Technology， 2017， 46（16）： 35-38.

[9]?邢海生. 奧氏體不銹鋼的低溫液體滲氮耐蝕強化工藝研究[D].北京：機械科學研究總院，2011.

XING Haisheng. Research on Corrosion-resistant Hardening Process Under Liquid Nitriding for Austenitic Stainless Steel[D]. Beijing：China Academy of Machinery Science and Technology， 2011.

[10]楊劍群， 劉勇， 葉鑄玉， 等. 2Cr13鋼的表面氣體滲氮處理[J].金屬熱處理，2009，34（7）：16-18.

YANG Jianqun， LIU Yong， YE Zhuyu， et al. Surface nitriding for 2Cr13 steel[J]. Heat Treatment of Metals， 2009， 34（7）：16-18.

[11]龍發進， 周祎， 康光宇， 等. 離子滲氮新技術的研究現狀[J].熱加工工藝， 2007，36（6）：61-64.

LONG Fajin， ZHOU Yi， KANG Guangyu， et al. Review of recently developed plasma nitriding technologies[J]. Metal Hotworking Technology， 2007， 36（6）：61-64.

[12]陳立奇， 何如俊， 朱文明. 離子滲氮技術簡介[J].熱處理技術與裝備， 2011，32（3）：12-14.

CHEN Liqi， HE Rujun， ZHU Wenming. Brief introduction of plasma nitriding[J].Heat Treatment Technology and Equipment， 2011， 32（3）：12-14.

[13]ISSARTEL C， BUSSCAIL H， CAUDRON E， et al. Influence of nitridation on the oxidation of a 304 steel at 800 ℃[J]. Corrosion Science， 2004， 46（9）：2191-2201.

[14]房雙強， 陳茂濤， 張進. 調質預處理對32Cr3Mo1V鋼滲氮層的影響[J].金屬熱處理， 2016，41（4）：146-149.

FANG Shuangqiang， CHEN Maotao， ZHANG Jin. Effect of quenching and tempering process on 32Cr3Mo1V steel nitriding layer[J]. Heat Treatment of Metals， 2016， 41（4）： 146-149.

[15]陳堯， 宋磊， 張宸愷， 等. 離子滲氮工藝對液壓柱塞用38CrMoAl鋼組織和性能的影響[J]. 金屬熱處理， 2016， 41（11）： 190-193.

CHENG Yao， SONG Lei， ZHANG Chenkai，et al. Effect of plasma nitriding process on microstructure and properties of 38CrMoAl steel for hydraulic plunger[J]. Heat Treatment of Metals， 2016， 41（11）： 190-193.

[16]田野， 王毛球， 李金許， 等. 新型滲氮鋼的力學性能及滲氮特性[J].材料熱處理學報， 2008，29（3）：122-125.

TIAN Ye， WANG Maoqiu， LI Jinxu， et al. Mechanical properties and nitriding characteristics of novel nitriding steels[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment， 2008， 29（3）：122-125.

[17]李昭昆， 雷建中， 徐海峰， 等. 國內外軸承鋼的現狀與發展趨勢[J]. 鋼鐵研究學報， 2016，28（3）：1-12.

LI Zhaokun， LEI Jianzhong， XU Haifeng， et al. Current status and development trend of bearing steel in China and abroad[J]. Journal of Iron and Steel Research， 2016， 28（3）：1-12.

[18]WANG Bo， LIU Bin， ZHANG Xiaodan， et al. Enhancing heavy load wear resistance of AISI 4140 steel through the formation of a severely deformed compound-free nitrided surface layer[J]. Surface and Coatings Technology， 2018， 356（1）：89-95.

[19]孫世清， 梁文瑞， 張楠. 9Cr5MoV鋼的磁性分析與深冷處理[J].河北科技大學學報， 2013，34（1）：75-79.

SUN Shiqing， LIANG Wenrui， ZHANG Nan. Magnetic analysis and deep cryogenic treatment of 9Cr5MoV steel[J].Journal of Hebei University of Science and Technology， 2013， 34（1）：75-79.

[20] MURAKAMI Y. Effects of small defects and nonmetallic inclusions on the fatigue strength of metals[J]. JSME International Journal， 1989， 32（2）：167-180.

[21]ITOGA H， TOKAJI K， NAKAJIMA M， et al. Effect of surface roughness on step-wise S-N characteristics in high strength steel[J]. International Journal of Fatigue， 2003， 25（5）：379-385.