表面爆炸噴涂WC涂層對GCr15軸承鋼抗疲勞性能的影響

， ，

(1.三峽大學大學生素質教育中心(創新創業教育學院)，宜昌 443002； 2.武漢紡織大學機械工程與自動化學院，武漢 430200；3.宜昌長機科技有限責任公司，宜昌 443002)

0 引 言

軸承鋼主要用于制造滾動軸承、軸承滾珠滾柱、軸承套圈以及其他軸承零部件等[1-2]，其失效形式主要包括靜強度失效、摩擦磨損失效、疲勞失效等[3-5]，因此對軸承鋼的耐磨性能、抗疲勞性能等提出了較高的要求。表面改性技術能夠提高軸承鋼的耐磨性能和抗疲勞性能。前期研究表明，表面改性對GCr15軸承鋼的摩擦磨損性能和硬度有較大的改善[6-7]，但對其抗疲勞性能的影響還未進行充分的研究。表面狀態對鋼的抗疲勞性能有重要的影響[8-9]。王清遠等[10]在研究等離子滲氮技術對馬氏體時效鋼和高碳鉻軸承鋼抗疲勞性能的影響時發現，等離子滲碳可顯著提高馬氏體時效鋼的疲勞強度，但會降低高碳鉻軸承鋼的疲勞強度，而對于該現象產生的原因并未做相關的說明。針對上述問題，并結合前期所做的關于磁控濺射TiN鍍層對GCr15軸承鋼摩擦磨損性能的研究結果[6-7]，作者選擇了對工件熱損傷較小的爆炸噴涂技術[11]來進一步研究表面改性對軸承鋼抗疲勞性能的影響機理，這可以為工程應用提供更多的試驗數據。

爆炸噴涂技術已廣泛應用于航空航天、石油化工、冶金等領域，其重要特點為對工件熱損傷小。該技術采用脈沖式噴涂，工件每次受熱氣流沖擊的時間短，氮氣或壓縮空氣對工件起到冷卻作用，使得爆炸噴涂時工件的溫升控制在100 K以下，因而不會發生組織相變和變形。目前，國內爆炸噴涂中應用最廣的為WC涂層[11]。因此，作者利用爆炸噴涂技術在GCr15高碳鉻軸承鋼表面制備WC涂層，研究該涂層對其抗疲勞性能的影響，并分析了爆炸噴涂對高碳鉻軸承鋼抗疲勞性能的影響機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為由某公司提供的GCr15軸承鋼，測得其硬度為283 HV，抗拉強度為861.3 MPa ，屈服強度為540 MPa。按照GB/T 4337-2008，加工出20根疲勞試樣，其形狀與尺寸如圖1所示。采用600#～1200#砂紙對試樣及其變截面處進行逐級打磨。拋光后，將疲勞試樣均分成兩組。采用烏克蘭“第聶泊”爆炸噴涂技術對其中一組試樣變截面處噴涂一層厚度為0.05 mm的WC涂層，噴涂材料為WC-12%Co(質量分數)粉末，噴涂時O2、C2H2、N2的體積比為2.5∶2.0∶0.8[11]；另一組試樣不做處理。

圖1 疲勞試樣的形狀及尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue test sample

按照GB/T 4337—2008在四連式懸臂梁旋轉彎曲疲勞試驗機上進行疲勞試驗，應力幅范圍為200～550 MPa，應力比為-1，疲勞試驗循環次數為102～107周次。試驗結束后，采用JSM-7500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌。

為深入剖析爆炸噴涂對高碳鉻軸承鋼疲勞性能的微觀影響機理，采用JX23B-D300型光學顯微鏡對噴涂試樣進行組織觀察。在噴涂試樣上截取金相試樣，采用800#～1200#砂紙進行逐級打磨、拋光，經體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕10 s后，在光學顯微鏡下觀察試樣的顯微組織。在HXD-1000T顯微維氏硬度計上測維氏硬度，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。

2 試驗結果與討論

2.1 S-N曲線

由圖2可知：當應力幅較高、疲勞壽命較低(小于105周次)時，噴涂與未噴涂試樣的疲勞試驗結果沒有明顯區別，這表明在此應力幅范圍內，爆炸噴涂對試樣的疲勞壽命基本沒有影響;當應力幅較低、疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂試樣的疲勞強度低于未噴涂試樣的，這表明此應力幅范圍內，爆炸噴涂使試樣的疲勞壽命縮短;當疲勞壽命為107周次時，試樣均未斷裂，此時的應力幅為疲勞極限，噴涂和未噴涂試樣的疲勞極限分別為215,250 MPa。綜上，爆炸噴涂使GCr15軸承鋼的抗疲勞性能降低。

圖2 未噴涂和噴涂試樣的S-N曲線Fig.2 S-N curves of unsprayed and sprayed samples

2.2 顯微組織和硬度

由圖3可以看出：經爆炸噴涂處理后，WC涂層和軸承鋼基體間的界線分明，存在邊界層；邊界層組織和基體組織沒有明顯區別，這表明爆炸噴涂未使GCr15軸承鋼的組織發生改變。試驗測得未噴涂和噴涂試樣的維氏硬度分別為283 HV，355 HV，這表明經爆炸噴涂后試樣表面的硬度增大。通常硬度的提高有利于促進其抗疲勞性能的增強[12]，因此爆炸噴涂所導致的硬度變化并不是GCr15軸承鋼疲勞強度降低和壽命縮短的原因。

2.3 斷口形貌

由圖4可以發現：當疲勞壽命較低(103～105周次)時，噴涂試樣和未噴涂試樣均未表現出明顯的疲勞斷裂特征，主要為脆性斷裂。這是由于這個階段的應力幅較高，疲勞壽命中裂紋萌生階段壽命所占的比例較小，因此斷口中未見明顯的疲勞裂紋源和裂紋擴展特征，而表現為脆性斷裂特征。由此可知，爆炸噴涂對該階段的疲勞壽命影響較小。

圖3 經爆炸噴涂后試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of samples after explosion spraying: (a) boundary of material matrix and spraying layer and (b) inside material matrix

圖4 疲勞壽命為 103～105周次時噴涂和未噴涂試樣斷口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of sprayed (a,b) and unsprayed (c,d) samples in the fatigue lives of 103-105 cycles

由圖5可知:當疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂和未噴涂試樣斷口均表現出明顯的疲勞斷裂特征，可以清楚地觀察到疲勞裂紋源以及疲勞裂紋擴展路徑，疲勞裂紋源均位于試樣表面；噴涂試樣斷口處的涂層較疏松，且存在許多明顯的孔狀缺陷，裂紋源主要為這些孔狀缺陷和界面附近試樣中的細小夾雜物，有研究表明，這些夾雜物為非金屬夾雜物[13-14]；未噴涂試樣的裂紋源為試樣表面因機械加工產生的微小劃痕和表面夾雜物，同時還有部分裂紋起源于試樣表面的晶體滑移帶。

由以上試驗結果可知，爆炸噴涂后軸承鋼的抗疲勞性能降低，但是影響程度不大，分析其原因在于：爆炸噴涂WC涂層的致密性比軸承鋼的差，涂層中存在許多孔狀缺陷，而這些孔狀缺陷在疲勞試驗中容易引起應力集中，使得疲勞裂紋在此處萌生；同時，WC涂層的硬度比軸承鋼的高，涂層與基體界面附近由于形變的不協調而導致應力集中，增加了在孔狀缺陷或夾雜物處萌生疲勞裂紋的可能性。

綜上可知，如果采用表面處理工藝來改善軸承鋼的抗疲勞性能，該工藝需要具有以下特點：(1) 所采用的表面處理工藝對軸承鋼表層組織和性能的影響較??；(2) 涂層能與軸承鋼表層緊密地結合，同時還能夠改善因機加工所產生的微小劃痕；(3) 涂層的致密性、塑性和強度均優于軸承鋼基體的。

3 結 論

(1) 當應力幅較高、疲勞壽命較低(小于105周次)時，噴涂與未噴涂軸承鋼的疲勞試驗結果沒有明顯區別；當應力幅較低，疲勞壽命較高(105～107周次)時，噴涂軸承鋼的疲勞強度比未噴涂的低；噴涂和未噴涂軸承鋼的疲勞極限分別為215，250 MPa；爆炸噴涂后GCr15軸承鋼的疲勞壽命縮短、抗疲勞性能降低。

圖5 疲勞壽命為 105～107時噴涂與未噴涂試樣斷口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of sprayed (a-d) and unsprayed (e-h) samples in the fatigue lives of 105-107 cycles: (a,c,e,g) overall morphology and (b,d,f,h) crack sources

(2) 未噴涂軸承鋼的疲勞裂紋源為其表面因機械加工所產生的微小劃痕、非金屬夾雜物以及晶體滑移帶；爆炸噴涂WC涂層后，軸承鋼的疲勞裂紋源為WC涂層中的孔狀缺陷和界面附近軸承鋼中的非金屬夾雜物。

[1] 鐘順思，王昌生.軸承鋼[M].北京：冶金工業出版社，2000：3-36.

[2] 虞明全.軸承鋼鋼種系列的發展狀況[J].上海金屬，2008，30(4)：49-54.

[3] 許峰.抽油機減速器滾動軸承失效形式及分析[J].中國設備工程，2016(6)：79-79.

[4] 侯國安，崔艷宏.滾動軸承的失效形式及預防措施[J].石油與化工設備，2010，13(12)：54-56.

[5] 祁海，張培志，郭方全.氮化硅軸承球滾動接觸疲勞性能的研究現狀[J].機械工程材料，2014,38(6)：1-4.

[6] NU Y,XIONG X C.Influence of magnetron sputtering parameters on surface properties of TiN-coated bearing steel[J].Surface Technology,2014，785/786(1):970-973.

[7] 熊曉晨，燕怒，韓曉琪.磁控濺射參數對TiN涂層軸承鋼性能的影響研究[J].表面技術，2014，42(1)：67-70.

[8] 李啟鵬，李偉，楊磊，等.航空用鈦合金抗微動疲勞表面改性技術的研究進展[J].機械工程材料，2012，36(11)：9-13.

[9] 馮璐璐，李全通，尹志朋，等.表面激光沖擊強化對鈦合金超高周彎曲疲勞性能的影響[J].機械工程材料，2015，39(8)：79-82.

[10] 王清遠，皮籠石紀雄，陳強.等離子滲氮處理超級鋼材的長壽命疲勞性能[J].四川大學學報(工程科學版)，2003，35(6)：5-8.

[11] 楊細瑛.爆炸噴涂技術的現狀及應用[J].焊接技術，2001，30(2)：8-9.

[12] 秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊：疲勞強度與可靠性設計[M].北京：化學工業出版社，2011：38-39,59-66.

[13] 魯連濤，李偉，張繼旺.GCr15鋼旋轉彎曲超長壽命疲勞性能分析[J].金屬學報，2009,45(1)：73-78.

[14] 李永德，楊振國，李守新.GCr15軸承鋼超高周疲勞性能與夾雜物相關性[J].金屬學報，2008，44(8)：968-972.