1、，.，.基金项目：国家重点研发计划（）（）；：.层流等离子体淬火对 轴承钢的滚动接触疲劳及损伤性能的影响闵军雄，张敏男，戴光泽，赵君文西南交通大学材料科学与工程学院，成都 为了提高 轴承钢的滚动接触疲劳（）性能，使用层流等离子体淬火（）技术对 轴承钢表面进行了四种不同扫描速度（、）的等离子体淬火实验。用 滚动接触疲劳实验机对处理前后的试样进行 试验。采用激光共聚焦显微镜（）、超景深显微镜（，）、扫描电子显微镜分析试样组织结构、成分、微观损伤形貌，对试样进行硬度测试，分析疲劳扩展机理。结果表明：由于 的冷却速率及加热速率较快，试样表面产生淬火硬化区，形成细小的隐晶马氏体组织，表层硬度增大。硬化层
2、厚度影响 扩展机理，硬化层厚度越深，疲劳寿命越长，使 寿命延长。关键词 层流等离子体淬火（）轴承钢 滚动接触疲劳（）裂纹扩展中图分类号：文献标识码：，（），（，）（）（），（，），（），（），引言轴承是机械设备中最关键的部件之一，保证了设备的稳定、安全运行，这对高速列车极其重要。随着高速铁路的发展、运行速度和轴重的增加，使滚动轴承在服役过程中，过早地出现磨损和表面剥落，随后发生滚动接触疲劳（）失效。是轴承的主要失效模式之一，因此提高 抗性是极其重要的。层流等离子体淬火（）是采用高能量密度、热量集中的等离子光束扫描试样表面，使表面一小块区域被快速加热，然后通过试样表面下的冷基材快速冷却。国内外学
3、者对 机理和 技术进行了研究，等及 等观察到表面和次表面下发生的材料剥落是零件 失效的主要损失机制。王艳江等研究了夹杂物对 轴承钢疲劳裂纹扩展机理的影响，指出控制夹杂物可以显著提高其疲劳性能。付悍巍等对轴承钢滚动接触疲劳进行了总结，分析了轴承钢疲劳裂纹生长及显微组织退化机理。等研究了钢轨侧部 处理的工艺参数，认为 处理后产生硬化区，降低了钢轨侧部磨损率，延长了钢轨使用寿命。等研究了 处理后的 钢轨钢的磨损性能及损伤机制，发现 处理可以细化晶粒、提高硬度和耐磨性。等研究了层流等离子体工艺参数对硬化区的影响，指出可以改变功率、扫描速度、喷嘴直径等来改变硬化层厚度。等发现 的快速加热和快速冷却，使热
4、影响区产生高密度位错马氏体和残余压应力，从而延长轮轨 寿命。可以使表面强化，提高材料的 性能，因此本工作研究了不同等离子体淬火扫面速度对 轴承钢的 性能的影响，并对等离子体淬火处理前后试样横截面的微观形貌进行表征，最后讨论了处理前后轴承钢试样的 性能，并分析了其微观组织结构、成分以及裂纹萌生、扩展机理。实验 试样材料及等离子体淬火试验参数研究采用成都天马铁路轴承有限公司生产的 轴承钢。其热处理方式为先对原材料进行球化退火（保温 ，炉冷到 保温 ，再炉冷到 ，最后进行空冷），再进行淬火（加热到 保温 ，然后油淬），最后进行回火（保温 ）。试验采用 等研究出的等离子体发射器，设置电压为，电流为，采
5、用直径为 的阳极喷嘴，使氩气、氮气比为 。轴承钢均加工成圆盘状试样，其几何形状及尺寸如图 所示，要求此试验参数符合 金属滚动接触疲劳试验标准。安装加工的试样，使其表面与阳极喷嘴的径向距离为 ，对试样分别使用 、的扫描速度进行等离子体淬火试验，具体的淬火工艺参数及仪器图见文献，。图 轴承钢试样尺寸（单位：）（：）试验 试验在 接触疲劳试验机上进行，滚动接触疲劳实验机简图如图 所示，分别将处理前后的 轴承钢试样安装在试验机上进行 试验，将厚度为 的试样安装在下主轴，设置试验机的径向载荷为 ，滑差率为，下主轴转速为 。当振动幅度达到 时停止试验，所有的滚动疲劳试验进行两次。图 疲劳试验机简图 结果及
6、分析 轴承钢显微组织及截面形貌图 为不同扫描速度下试样 试验后沿滚动方向和轴向的淬火区截面形貌，由图 可知经 处理后试样截面形貌由硬化区、过渡区及基体区域组成。硬化区呈月牙状，月牙状宽度及深度随扫描速度变快而减小。由图 可知，处理后试样硬化区均匀，为两道圆弧中间的区域。图 为试样以 淬火后不同区域的显微组织，图 看出试样基体组织由分布均匀的未溶解球状碳化物和回火马氏体组成，黑色及暗黑色区域为回火马氏体，圆形小白点为未溶解碳化物。硬化区组织（见图）为灰白色图 淬火区的（）滚动方向和（）轴向截面形貌：（）；（）；（）；（）（）（）：（）；（）；（）；（）隐晶马氏体和未溶解碳化物组成，并且硬化区与基
7、体有明显分界线（见图、）。图 为 淬火后硬化区及过渡区 显微组织，可见相比于硬化区明显的针状马氏体和碳化物组织，过渡区马氏体组织已经消失，并且细小的碳化物在高温作用下已经回溶，而较大的碳化物吸附 相扩散出来的碳原子逐渐长大。图 经 淬火后不同区域的显微组织：（）基体；（）淬火区整体形貌；（）硬化区；（）过渡区 ：（）；（）；（）；（）图 经 淬火后（）硬化区和（）过渡区的 显微组织 （）（）横截面显微硬度分析为了解 对 轴承钢表面性能的影响，对 试验后淬火区横截面进行显微硬度测试。从硬化区月牙状最深位置对应的表层沿着径向每间隔 测试一次，压头载荷为 ，保压 ，具体测试位置如图 所示。对于材料导
8、报，（）：轴承钢试样，截面显微硬度在 试验前后变化不大，图 显示了 后 试样从表面沿深度方向的显微硬度，由图可知经淬火处理后试样的硬化区稳定，硬度分布均匀，硬 度 由 未 处 理 时 的 提 高 到 ，这是由于原材料中存在大量未溶解碳化物，急热过程中会溶解更多的碳化物并形成细小的奥氏体晶粒，使随后的急冷过程产生细小隐晶马氏体并析出更多细小的碳化物，并且在此区域位错密度比基体高，这有效地提高了 轴承钢的表面硬度。硬度的最大值均出现在亚表面处，并且表面显微硬度较低。这是因为硬度的高低取决于冷却速度的快慢，随着发射器的离开，表面组织首先接触空气发生淬火，而亚表面组织根据冷基材散热，其冷却速度大于表面
9、。硬度先下降后再缓慢回升为过渡区，过渡区宽度图 显微硬度测试位置示意图 图 磨损试样后试样横截面显微硬度（电子版为彩图）约为 。由于 处理过程中过渡区的温度达不到相变温度，产生了高温回火，形成了回火索氏体，这导致了硬度的下降。温度随着远离淬火表面而降低，而硬度与回火温度呈负相关，因此硬度随后缓慢回升到基体硬度并趋于稳定。分析 寿命试验结果及残余应力分布试样经过多周次旋转后，表面产生剥落坑，此时 试验机会剧烈振动并产生巨大的噪音，将此时的旋转周次作为试样的疲劳寿命。图 为未处理试样和 处理后在油润滑条件下的 疲劳寿命及残余应力分布。由图可知，经 实验后，轴承钢的疲劳寿命得到了明显的提升，其中扫描
10、速度为 时 寿命延长了。随着扫描速度的增加，硬化层厚度逐渐减小且 寿命逐渐缩短。硬度增加，耐磨性提高，表面疲劳裂纹不能通过磨损去除，在高接触应力下表面疲劳裂纹加速扩展。使用 射线衍射对 的试样及未处理试样表面进行残余应力测试，未处理试样的表面加工产生约 的残余压应力，而表面淬火后产生约 的残余压应力，因此 可以使试样表面残余应力显著增加。与激光淬火具有相似的工作原理，引入文献中残余应力沿深度方向的分布（如图 所示），可知 的应力分布。处理过程中，加热时处理区域体积膨胀产生压应力，冷却时由于相变诱发马氏体转变，奥氏体向马氏体转变时体积发生膨胀，产生了残余压应力，而残余压应力可以延长疲劳寿命，因此
11、 使耐磨性提升且 寿命延长。另外，淬火硬化层厚度和轴承钢 寿命有一定的关系，如图 所示。用 进行相关性分析，得到深度与寿命的 相关系数为 ，由此可知硬化层厚度与 寿命为正相关，如式（）所示：（）式中：为滚动接触疲劳寿命，周次；为硬化层厚度，。图 寿命结果及残余应力分布；（）寿命与 扫描速度的关系；（）残余应力沿深度方向分布图；（）寿命与硬化层厚度关系 ；（）；（）；（）表面 损伤形貌使用超景深显微镜（，）表征 实验后未处理及不同扫描速度处理后试样的表面损伤形貌，如图 所示。未处理及 处理的试样表面都出现了明显的剥落和裂纹。由于下试样的接触面厚度为 ，在运行过程中承受大载荷及高转速，实验过程中总
12、是下试样先开裂造成试验停止，而与之配对的上试样仅出现小的麻点和犁沟。对下试样进行分析，试样（见图）仅出现一个大的剥落坑就导致试样失效，而滚动面其余位置只出现麻点和小犁沟（见图）。此外，在大剥落坑周围存在明显层流等离子体淬火对 轴承钢的滚动接触疲劳及损伤性能的影响 闵军雄等 的轴向裂纹（见图），这些裂纹相互连接，并轴向扩展，具有贯穿淬火区的扩展趋势。试验后，扫描速度快的试样（见图、）相对于扫描速度慢的试样（见图）表面出现了更多的沟槽与麻点，结合图 可知，硬化区宽度宽的试样表面（见图）比硬化区宽度窄的试样表面（见图）质量好。试验过程中扫描速度为 时上试样发生了断裂，此时上试样的 寿命仅为未处理试样
13、的，其断裂形貌如图 所示。起始处硬化区与结束时硬化区并未连接，在硬化层厚度 处，直接贯穿硬化区发生断裂，可见硬化层厚度及交界面状态影响试样疲劳寿命。图 试样 试验后表面损伤形貌：（）未处理；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）图 扫描速度为 时上试样失效形貌：（）表面形貌；（）截面形貌 ：（）；（）截面损伤形貌为描述 扩展机理，对轴承钢试样截面形貌进行超景深显微镜观察，如图 所示。未处理试样（见图）试验后，其疲劳裂纹萌生于试样表面，在大接触应力下，表面及剥图 试样截面形貌：（）；（）；（）未处理 ：（）；（）；（）落坑内部应力集中处产生裂纹，裂纹平直。表面裂纹与滚动方向呈 扩展，而内部应力
14、集中处裂纹扩展方向与表面平行。对于处理后的试样，疲劳裂纹也萌生于试样表面。图 为 试样损伤形貌，试样表面与 后试样表面相距约（见图），与图 硬化层厚度相差，这是线切割产生的误差。由图 及图 发现淬火层厚度较深的试样断裂后截面并无白色硬化层，可见硬化层在试验过程中剥落。在硬化层剥落后的剥落坑底部出现裂纹，由此可见硬化层剥落到一定的大小后试样发生断裂。而当硬化层较小时（见图），硬化层未发生剥落，试样直接沿淬火区断裂。经处理试样（见图）与未处理试样（见图）主裂纹旁的区域没有其余裂纹，并且由于高硬度，试验后试样表面几乎没有变形。图 试样损伤形貌：（）截面；（）断口 ：（）；（）截面及断口 形貌图 为轴
15、承钢试样 后的截面 损伤形貌。未材料导报，（）：处理试样及处理试样表面均出现了裂纹，表面较大的残余压应力使这些裂纹沿着与表面几乎平行的方向往内部扩展，最终形成小角度裂纹（见图、）。当裂纹扩展到一定的深度，在切应力和正应力的作用下，裂纹转向表面扩展，最终贯穿表面，导致材料剥落，形成大剥落坑。当剥落坑边缘与正应力成一定角度时（见图），为了缓解应力集中，剥落坑亚表面会产生亚表面裂纹，裂纹沿着切应力方向向表面扩展。对裂纹扩展位置进行放大（见图、），可以明显看到，由于碳化物的高硬度，裂纹并未穿过碳化物，而是在遇到碳化物时改变扩展方向，沿着碳化物边缘扩展，此外由于碳化物对裂纹的阻碍，在裂纹扩展过程中出现了
16、裂纹分支（图、）。从图、中的可以看到裂纹分支相互连接（图）或者有倾向于相互连接的趋势（图），可见表面裂纹的扩展及分支的相互连接是造成剥落的原因。图 为轴承钢试样断口 形貌。未处理试样（见图）在试验过程中出现大噪声后瞬间断裂，断裂时间极短。疲劳裂纹萌生于试样表面，其断裂面具有明显的解理断裂特征，断面平整（见图）几乎没有分层。对于层流等离子表面淬火后的试样，在试验过程中出现噪声多次增大的现象，但试验机并未停止转动，并且硬化区的存在使断口形貌与未处理试样不同。图 在表面可以明显观察到疲劳裂纹源，而在图、中可以观察到明显的疲劳辉纹，其中心指向试样表面，由此可见 处理后试样的疲劳裂纹源出现在试样表面。对断口进行进一步分析，观察到处理后试样裂纹扩展区大于未处理试样，断裂形式为分层断裂，光学显微镜下表现为剥落坑，当分层裂纹达到一定的深度后，试样发生瞬间断裂。不同淬火扫描速度产生分层图 试样 截面损伤形貌：（）未处理，（）图 裂纹微观图；（）；（），（）图 裂纹微观图 ：（），（）；（）；（），（）图 试样断口 形貌：（）未处理；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）的位置不相同（图），这与硬化层的
