超聲滾壓軸承套圈表面強化的研究綜述

鞏立超，潘永智，劉彥杰，董安峰，杜連明，付秀麗

（1.濟南大學 機械工程學院，濟南 250002；2.臨清宇聯軸承科技有限公司，山東 聊城 252600）

軸承作為主軸系統的重要組成部分，其使用壽命是整個系統低故障率的重要保障。風力發電機、航空發動機等受載情況復雜，工作條件惡劣，要求軸承能夠適應更嚴苛的服役環境。軸承的主要失效形式有磨損、疲勞、斷裂等[1-2]。付洋洋等[3]研究了風電變槳軸承外圈斷裂的原因，發現風電變槳軸承在腐蝕環境中易產生點蝕坑，形成應力集中，從而在點蝕坑處萌生裂紋，淬硬層組織粗大，且深度不足，導致裂紋擴張，并誘發軸承套圈疲勞斷裂[4]。航空關節軸承作為一種球面滑動軸承，因表面質量及潤滑不足引起的磨損失效是其主要失效形式[5]。調心滾子軸承是一種常用的礦山機械軸承，長期超負荷運行與未及時維修是造成疲勞破壞的主要原因。朱孝錄[6]對外圈斷裂進行了失效分析，認為動載荷產生的交變應力使疲勞斷裂更容易發生。滾動軸承材料表面長期受交變接觸壓應力的作用，易產生塊狀剝落，使軸承接觸疲勞磨損。同時，由于軸承套圈表面粗糙度過高及油膜破損加劇、周圍溫度升高，使潤滑作用減弱[7]，磨損情況進一步加劇。

軸承套圈表面強化是減少軸承失效、延長軸承壽命的有效措施。傳統軸承套圈強化一般選用熱處理提高強度與硬度，消除內應力，最后磨削，保證軸承套圈的表面質量與尺寸精度[8]。強化與光整分開進行，工序復雜，熱處理過程中常出現尺寸變形、表層嚴重脫碳等質量問題，且磨削時產生的瞬時高溫易造成工件表面磨削燒傷，產生殘余拉應力，甚至出現微觀裂紋[9]。針對這一問題可以對軸承套圈強化方式進行改進，常見的表面強化方式有涂層、表面改性和機械強化。涂層可以有效提高軸承套圈的硬度及耐磨性，但其與基體結合度不強，造成涂層易剝落[10]；表面改性有理想的強化效果，但高成本與難處理復雜形狀零件限制了它在軸承套圈強化中的應用[11]；機械強化利用材料冷塑性的特點對軸承套圈進行強化[12]，傳統機械強化方法（如噴丸、滾壓）可以有效提高材料表面硬度、形成殘余壓應力層[13]。但噴丸強化使工件表面粗糙度增大而增加磨損，需要后續光整加工，滾壓強化產生的硬化層與基體有分層現象，表層易脫落，且滾壓不適用于加工薄壁零件。

超聲滾壓強化作為一種新興的表面強化技術，屬于光整加工范疇。將靜壓力與超聲沖擊相結合，在材料表面形成塑性變形層[14]。采用“削峰填谷”的方式降低表面粗糙度，在強化過程中，表層材料發生嚴重的塑性變形，并引入殘余壓應力，可抑制或延緩疲勞裂紋的萌生與擴展，提高材料的疲勞強度[15]。高頻沖擊使材料表層晶粒梯度納米化的同時，表面顯微硬度提高，且具有一定的硬度厚度，使材料減摩抗磨性得到提升[16]。此外，超聲滾壓強化可以替代軸承套圈生產過程中的精磨，集強化與光整于一體，提高加工效率。目前針對超聲滾壓強化對軸承表面完整性的研究較多，但關于強化機理與性能之間的聯系的研究較少。基于此，本文對超聲滾壓強化機理及其對軸承套圈耐磨損、抗疲勞性能的影響進行總結分析，并對今后的軸承套圈超聲滾壓的研究方向作出展望。

1 超聲滾壓強化機理

塑性金屬材料有2 種強化途徑（如圖1 所示）[17]：一種是消除位錯、滑移等晶體缺陷，獲得理想的單晶材料，如無晶體缺陷純鐵（晶須直徑為1.6 μm）的理論強度（σb=13 400 MPa）是實際工業純鐵（σb=300 MPa）的40 多倍，材料強化效果顯著；另一種是通過提高位錯密度及其滑移阻力來增加材料強度。由于單晶材料一旦出現位錯，其強度會迅速降低，所以現在提高金屬材料強度的主要措施是提高其位錯密度。超聲滾壓強化機理主要有位錯強化、細晶強化、應變強化[18-19]。

圖1 材料強度與位錯密度的關系[17]Fig.1 Relationship between material strength and dislocation density[17]

1.1 位錯強化

金屬材料表層在超聲滾壓強化作用下易發生位錯，且位錯密度隨位錯萌生和增殖機制的激活而增加，導致位錯間相互交截、纏結的情況增多，這使晶體滑移時的阻力顯著提高，降低位錯運動能力。根據位錯強化機制，流變應力為滑移面內所有位錯在單位時間內掃過一定面積時所需要的應力，其值等于滑移面上的位錯滑移時所要克服的阻力大小[20]。位錯對于金屬材料的強化效果可用式（1）進行計算：

式中：σdis為位錯強化機制效果；M為泰勒因子；α為與材料有關的常數；G為金屬的剪切彈性模量；b為博格斯矢量的模；ρ為位錯密度。

1.2 細晶強化

靜壓力和超聲沖擊聯合作用于材料表面，使之形成一個應力場，如圖2 所示[21]。材料表面在應力場的作用下發生塑性變形，隨著滾壓頭的不斷移動，應力場沿不同方向作用于同一塑性變形區域，反復塑性變形使材料表層晶粒不斷細化，材料屈服強度σs與晶粒尺寸d的關系表示為[22]：

圖2 超聲滾壓原理[21]Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic rolling[21]

式中：K為與晶體有關的常數。由式（2）可知，晶粒尺寸越小，材料強度越高。

隨位錯密度增大，位錯墻和位錯纏結逐漸形成（如圖3A1和B1所示）。在連續沖擊作用下，位錯墻和位錯纏結變為小角度亞晶界（如圖3A2和B2所示），這使得位錯密度降低。由于位錯不斷湮滅和產生，導致晶界兩側晶粒取向不同（如圖3A3和B3所示），使晶界成為位錯運動的阻礙。晶粒或亞晶在連續應力作用下不斷碎化（如圖3AA12到AA4和BB12到BB4），周而復始，直到位錯湮滅與產生達到平衡，晶粒尺寸趨于穩定[23]，從而在材料表面形成梯度納米結構。晶粒細化使晶界處產生的位錯塞積對晶間滑移的阻礙作用增強。

圖3 晶粒碎化過程[23]Fig.3 Illustration of grain refinement process[23]

1.3 應變強化

超聲滾壓強化使金屬表層發生塑性變形，進而增大位錯密度。位錯之間存在相互作用，使每一個位錯發生運動時都受到其他位錯的阻力，且位錯運動時發生相互交割，并產生位錯纏結等障礙，阻礙位錯的運動，增加材料變形抗力，因此強度得到提高。劇烈的塑性變形使材料內部晶粒拉長、晶格扭曲，提高材料的抗變形能力，材料表面拉應力變為殘余壓應力，壓應力使晶體內部空隙與缺陷減少[24]，對于延緩疲勞裂紋的擴展有積極作用。超聲滾壓強化在不改變材料心部組織的條件下，增加其表面顯微硬度，使材料在具有良好塑性的同時，具備較高的硬度，提高材料的耐磨性[25]。

2 超聲滾壓對軸承套圈性能的影響

將超聲滾壓加工應用于軸承套圈強化，使軸承套圈發生塑性變形，表層晶粒細化，形成梯度納米層。在微觀組織細化和加工硬化共同作用下，顯著提高了軸承套圈的強度、表面顯微硬度，增強了軸承套圈的耐磨性能[26]。超聲滾壓強化使材料表層由先前加工引起的拉應力變為殘余壓應力，大大減緩了疲勞裂紋的擴展進程，增加了軸承套圈的疲勞壽命。

2.1 耐磨損性能

磨損失效是指兩材料表面不斷摩擦，使表層金屬過度磨損而低于使用要求的失效（如圖4 所示）[27]。持續磨損不僅會導致軸承尺寸精度出現偏差，而且影響軸承套圈形狀變化，使配合間隙增大及惡化工件表面形貌，出現潤滑不及時，甚至不能潤滑的情況，嚴重影響軸承旋轉精度和使用壽命。Zhou 等[28]對GCr15耐磨性達到最大時的晶粒尺寸進行了研究，發現納米結構試樣的硬度和塑性隨晶粒尺寸的變化而單調變化，最大的耐磨性是塑性與硬度共同作用的結果，如修正的經驗Archard 方程所描述：

圖4 滾動軸承滾道磨損[27]Fig.4 Diagram of raceway wear of rolling bearing[27]

式中：W為施加壓力P下的磨損率；H為材料的硬度；K為與材料延性有關的常數。

2.1.1 工藝參數對耐磨性影響

超聲滾壓強化可以通過調控工藝參數達到理想的強化效果，各工藝參數對套圈表面完整性的影響見表1，通過調節超聲滾壓強化工藝參數對強化后軸承套圈的耐磨性進行了研究。王曉強等[29]對42CrMo 軸承鋼進行超聲滾壓，研究了工藝參數對材料表面硬化程度的影響，發現硬化層深度與表面顯微硬度明顯呈正相關性。硬化層深度小于100 μm 時，加工時間越長，硬度越高。這種變化可能是由于位錯纏結造成的，位錯密度隨加工時間的增加而變大，高密度位錯使位錯纏結更容易形成[30]。崔鳳奎等[31]研究了工藝參數對軸承套圈粗糙度的影響，結果表明，超聲沖擊對粗糙度影響明顯，施加適當的振幅可以抹平車削遺留的刀痕，但振幅過大會使其表面瞬間產生嚴重的塑性變形，從而破壞試樣的晶體結構，進而增加試樣表面粗糙度，嚴重降低表面質量。Lee 等[32]對GCr15 進行了超聲強化處理，材料表面硬度由 730HV 增加到880HV，有效硬化層深度為1.3 mm，材料耐磨損性能提升明顯，這是材料表面晶粒細化所致。

表1 各工藝參數對不同軸承套圈材料影響Tab.1 Influence of various process parameters on different bearing ring materials

2.1.2 表面形貌對耐磨性影響

粗糙表面易加劇磨損，但并非摩擦副表面形貌越光滑，耐磨性越好，織構的引入可以顯著改善摩擦磨損性能。304 不銹鋼常用于航空關節軸承，其表面磨損往往發生在遠離潤滑槽的區域。加載在軸承上的載荷使材料表面產生微凸起，在不斷摩擦和擠壓的過程中變成碎屑，使襯套表面磨損加劇[38]。秦悅[36]用超聲滾壓在304 不銹鋼表面制備織構，發現表面織構能顯著改善超聲滾壓強化效果，使304 不銹鋼的耐磨性能提高55%以上。不同處理對磨損量的影響如圖5所示，原始試樣、超聲滾壓強化試樣、超聲滾壓與方形織構協同強化試樣的球缺半徑分別為356、243、191 μm。由圖5 可以看出，超聲滾壓協同織構強化試樣的磨損量僅為原始試樣的1/15，表面織構可以在超聲滾壓強化的基礎上進一步提高材料摩擦磨損性能。潤滑情況對軸承套圈的磨損速率也有重要影響。Amanov 等[39]認為，表面粗糙度較小或載荷較大時，織構降低摩擦系數的效果最明顯，織構存儲的潤滑劑在混合潤滑狀態下形成動壓潤滑，改善潤滑狀態，不受限于潤滑槽潤滑，織構還可以收集磨屑，防止磨屑在摩擦副表面劃傷，提高軸承的摩擦磨損性能。

圖5 不同處理對磨損量的影響[36]Fig.5 Influence of different treatments on wear[36]: a) the original sample; b) the specimen was strengthened by ultrasonic rolling; c) the specimen was strengthened by ultrasonic rolling and square texture

2.2 抗疲勞性能

接觸疲勞失效是軸承的主要失效形式之一，且其在破壞前沒有明顯的宏觀變化，因此比在靜力下的破壞更具有危險性。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源，其發生在軸承工作表面，往往伴隨著疲勞裂紋[40]，如圖6 所示。由于裂紋的萌生與擴展占到了疲勞壽命的很大部分，因此抑制裂紋萌生，緩解裂紋擴展，是提升軸承套圈抗疲勞性能的有效方法。

圖6 變槳軸承內圈顯微裂紋[40]Fig.6 Variable propeller bearing inner ring microcrack[40]

2.2.1 粗糙度對抗疲勞性能的影響

在循環載荷的作用下，表面摩擦系數的增加會加速裂紋向材料表面擴展[41]，對疲勞壽命產生影響。摩擦副中過大的粗糙峰不僅會刺破油膜，與另一表面直接接觸，產生溫升，加劇磨損，而且由于粗糙峰間潤滑劑較少，導致流體動壓效應不夠，使接觸應力增加，磨損速率增加，降低疲勞壽命。超聲滾壓強化利用金屬冷塑性的特點，將波峰壓入波谷，減少粗糙峰的數量，降低軸承套圈的表面粗糙度，減少粗糙峰的相互作用，抑制微點蝕萌生，減少宏觀點蝕和表面剝落，增加軸承疲勞壽命[42]。304 不銹鋼經強化后粗糙度由0.87 μm 降至0.19 μm，粗糙度等級提升3 級，由升降法測得其疲勞極限提高19%，疲勞性能得到增強[37]。

2.2.2 殘余應力對抗疲勞性能的影響

?man 等[43]對軸承鋼進行疲勞試驗時發現，所有情況下，在疲勞極限時均未觀察到非擴展裂紋，認為裂紋萌生極限即是疲勞極限，超聲滾壓通過在材料表面預制壓應力有效抑制裂紋的萌生。最大殘余壓應力一般出現在材料次表層處[44]，是因為材料表層處發生最大程度塑性變形，塑性變形使殘余應力得到釋放，從而降低了材料表面殘余壓應力值。Liu 等[45]認為，超聲滾壓強化后，塑性變形和彈性變形之間的相互約束和平衡使應變進入晶粒，隨著塑性變形的增加，更多的應變儲存在晶體結構中，從而造成更大、更深的殘余壓應力。魯連濤等[46]發現，滾壓后的裂紋萌生起點由材料表層轉移到內部硬化層和殘余壓應力消失的地方，表明殘余壓應力通過中和外加應力有效抑制了裂紋的萌生，提高了材料的疲勞強度。

Luan 等[47]研究了殘余應力的熱松弛，在200、300、400、500 ℃下對采用不同強化方式的工件進行退火，并通過試驗測定了殘余應力和殘余應力釋放率，如圖7 所示。結果表明，高溫對超聲滾壓過程中殘余壓應力的生成有促進作用，而殘余壓應力的釋放與工件表面狀態有關，經強化后，殘余應力釋放速率明顯降低。超聲滾壓強化的工件表面具有殘余壓應力高、釋放速率低的優點，使裂紋擴展速度維持在較低水平，延長軸承在潤滑不充分、干摩擦狀態下的服役壽命。

2.2.3 微觀結構對抗疲勞性能的影響

對GCr15 進行超聲滾壓強化[35]，材料表層在高頻沖擊下發生塑性變形，伴隨晶粒細化并產生位錯滑移，隨下壓量增加，塑性變形量增大，晶粒進一步細化，使滲碳體呈顆粒狀且分布均勻。根據Navarro-Rios模型[48]，疲勞裂紋擴展速率與晶粒尺寸成正比，晶粒尺寸越小，裂紋擴張阻力越大，裂紋擴展速率降低。同時，由于晶界數量增多，疲勞裂紋擴展時發生偏折行為，在偏折點附近，裂紋擴展速率明顯降低[49]，材料的抗疲勞性能增強。Zhang 等[50]對次表面疲勞損傷進行了研究，如圖8 所示。超聲滾壓使裂紋角明顯變大，有效減緩了次表面裂紋相互連接的速度，延長了表面材料剝落時間，增加了材料的疲勞壽命。

圖8 次表面疲勞損傷截面[50]Fig.8 Typical graphs of the cross-sectional subsurface damage[50]: a) untreated and 1.973×106 cycles to failure; b) 600 N and 2.208×106 cycles to failure; c) 800 N and 2.392×106 cycles to failure; d) 1 200 N and 2.325×106 cycles to failure

3 超聲滾壓復合強化

超聲滾壓復合強化可以明顯提升超聲滾壓強化效果，使材料表面易于發生塑性變形，有利于愈合表層微裂紋，增加硬化層深度及殘余壓應力影響層深，使摩擦磨損性能和疲勞性能明顯提高。

3.1 聲電耦合

超聲滾壓強化使工件表層發生嚴重塑性變形，從而降低表面粗糙度，同時位錯密度增加使工件表面加工硬化，但高硬度的加工硬化層使表層塑性流動急劇變差，導致微裂紋無法愈合。聲電耦合加工對位錯運動有促進作用[51]，能量的輸入增強了位錯越過勢壘的能力，使位錯數目增加，進而提高金屬表層的塑性變形能力。適當增加電脈沖可以增加工件表層塑性流動，使微裂紋在超聲滾壓作用下加速愈合。304 不銹鋼經超聲滾壓后，表面質量明顯提升，但仍在表面上留有很多微觀裂紋，如圖9 所示[52]。在超聲滾壓強化時，對工件施加脈沖電流，微觀裂紋長度及數量明顯減少，且電流密度越大，引起的電致塑性效應越強，工件表面材料塑性流動能力提高，使微觀裂紋在超聲滾壓加工中更易愈合，改善工件表面質量，使軸承套圈疲勞性能增強。

圖9 聲電耦合加工對304 不銹鋼表面微觀形貌的影響[52]Fig.9 Effect of surface micro-morphology on 304 stainless steel machined by acoustic-electrical coupling[52]

3.2 超聲滾壓復合離子注入強化

將高能離子注入到材料表面，在不改變材料本身組織結構的情況下，提高材料的耐磨性、耐蝕性，且強化層與基體結合良好，但注入層深度較淺，限制了離子注入的應用[53]。超聲滾壓強化使金屬表面納米化，晶界數量增多，高晶界和位錯密度為原子提供了許多擴散通道和擴散空間，使原子可以快速地從初始位置轉移到其他位置，這有利于原子的擴散[54]。同時，塑性變形產生非平衡缺陷，使材料表面活性增加，增強對離子的吸附作用。超聲滾壓與離子注入協同強化，使化學元素注入濃度和深度均有所增加，注入元素分布更加均勻。Zhao 等[55]將WC 注入到超聲滾壓后的316 不銹鋼表面，結果表明，超聲滾壓使離子擴散通道明顯增加，大量小WC 顆粒起到彌散強化作用。復合強化后，表面硬度由離子注入時的313HV提高到494HV，注入深度提高100%，WC 膜與基體結合增強，提高了腐蝕電位，有效提高了空化腐蝕耐蝕性。此外，Nb 離子注入后，在材料表層形成的氮氧化物有潤滑效果[56]，可降低摩擦系數，提高軸承套圈耐磨性。

3.3 超聲滾壓復合激光熔覆強化

激光熔覆具有冷卻速度快、溫度高的特點，可以用于修復軸承套圈點蝕、疲勞剝落等損傷，但由于其快速的熔化和固化過程，熔池內存在急劇的溫度梯度，使元素偏析和結構不均勻，并形成粗大柱狀晶，易于裂紋擴展，降低強度和疲勞性能[57]。將激光熔覆與超聲沖擊結合，對激光熔覆后的熔覆層進行超聲滾壓同步處理（如圖10 所示[58]），超聲振動引起的超聲空化和力學效應可使涂層中元素充分攪拌和擴散，避免產生應力集中，降低熔覆層孔隙率[59]，使熔覆層硬度和彈性模量增加，產生具有良好性能的熔覆層，并增強熔覆層與基體的結合力，提高涂層的耐久性[60]。超聲振動引起的枝晶斷裂可以有效消除柱狀枝晶組織，增強形核，細化沉積層晶粒，改善沉積層晶粒組織的均勻性，擴展了沉積層等軸枝晶區域[61]。李德英等[62]對超聲輔助激光熔覆SiC/316L 復合涂層的殘余應力進行了研究，發現合理控制超聲振幅，可以緩和復合涂層的殘余應力，并細化涂層組織，使SiC 顆粒均勻分布。將超聲滾壓輔助激光熔覆不僅可以修復軸承套圈，還可對其進行表面改性，提高軸承套圈的耐磨性。

圖10 超聲輔助激光熔覆[58]Fig.10 The subsequent laser cladding with ultrasonic assisted[58]

4 結語

本文以軸承套圈為主要研究對象，對超聲滾壓強化機理進行了歸納，總結了工藝參數對表面完整性的影響。基于超聲滾壓強化機理及對軸承套圈表層物理性質的改變，分析了超聲滾壓強化提高摩擦磨損及疲勞性能的原因，并總結了超聲滾壓復合強化在提高表面質量方面的機理及優勢。

1）超聲滾壓主要通過提高位錯密度達到強化效果，強化機理主要有基于位錯理論的位錯強化、細化晶粒阻礙位錯運動提高屈服強度的細晶強化，以及通過塑性變形產生加工硬化的應力強化。

2）選擇最佳的超聲滾壓強化工藝參數可使材料表層晶粒梯度納米化，提高軸承套圈的顯微硬度，降低表面粗糙度，以及將表層拉應力變為殘余壓應力，抑制裂紋萌生與擴展，提高軸承套圈的耐磨性與疲勞性能，但對耐磨損及抗疲勞機理還需進一步研究。

3）表層織構不僅增強超聲滾壓強化效果，還可儲存潤滑油，改善其潤滑條件，有效提高滑動軸承的耐磨性能，但對織構形貌和排列方式的選擇及不同潤滑條件下的作用機理還有待研究。

4）復合強化對超聲滾壓強化效果有明顯提升，是當下強化研究的熱點，可用于軸承套圈表面強化與修復，加快超聲滾壓復合離子注入、激光熔覆、電脈沖等超聲滾壓復合強化工藝的發展，但對復合強化組合、最優工藝參數及強化理論研究還需進一步完善。