增加回火工序?qū)Cr15軸承鋼套圈變形的影響

王一博，李淑欣，舒建明，陳銀軍

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波 315211；2.中國環(huán)馳軸承集團(tuán)有限公司，慈溪 315318)

0 引 言

滾動軸承是機(jī)械裝備中重要的基礎(chǔ)零部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、軌道交通、風(fēng)電等領(lǐng)域[1]。滾動軸承套圈是軸承的主要部件，運(yùn)行中承受交變疲勞載荷[2]。套圈滾道的尺寸精度直接影響著軸承的裝配精度和質(zhì)量，從而影響軸承的運(yùn)行負(fù)載分布、動態(tài)性能和最終使用壽命[3]。

在生產(chǎn)加工、儲存以及服役期間，軸承套圈會發(fā)生變形，其圓度和尺寸會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致軸承零件精度下降，嚴(yán)重影響使用壽命。軸承套圈的變形與多種因素有關(guān)，主要包括熱處理溫度與時(shí)間、退火處理、鍛造以及是否及時(shí)回火等[4]。研究人員通過改進(jìn)裝夾方法、改良淬火方式以及延長研磨時(shí)間等方法來減小變形[5-6]；這些方法雖然不能完全消除變形，但可以將變形量降低到可接受范圍，這樣引起變形的主要原因就只是材料中殘余應(yīng)力、殘余奧氏體含量以及相轉(zhuǎn)變等。當(dāng)軸承套圈整體應(yīng)力失去平衡時(shí)必然發(fā)生變形，一切減小或減慢應(yīng)力變化的方法都可以減小變形[7]，其加工過程中的回火工序就是為了去除應(yīng)力[8]。此外，殘余奧氏體組織也是影響軸承套圈變形和尺寸精度的關(guān)鍵因素[9-16]；殘余奧氏體是一種亞穩(wěn)相，在軸承存放及服役過程中很容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于奧氏體組織與馬氏體組織有比容差異，導(dǎo)致軸承套圈產(chǎn)生變形，引起軸承套圈尺寸的變化[17]。對精密軸承的回火研究表明，增加回火工序、延長回火時(shí)間、提高回火溫度，都能夠有效減少殘余奧氏體含量，提高組織穩(wěn)定性，從而減小變形[14-15]。

軸承套圈的常規(guī)制造工藝為原材料鍛造→退火→車削加工→淬火→回火→磨削→裝配，整個過程僅進(jìn)行了一次回火。經(jīng)過一次回火處理后的軸承套圈在儲存以及服役期間容易發(fā)生變形，圓輪廓不均勻。在實(shí)際生產(chǎn)過程中為了解決零件的變形問題，往往在磨削工藝之后增加回火工藝，以提高零件的尺寸穩(wěn)定性[18-19]。因此，為了減小軸承套圈的圓度，亦即減小變形不均勻性，增加套圈尺寸的穩(wěn)定性，可考慮在常規(guī)制造工藝中再增加一次回火工序(二次回火)。作者以GCr15軸承鋼套圈為研究對象，在其原制造工藝的套圈磨削之后增加了一道150 ℃×2 h回火工序，對比研究了工藝改進(jìn)前后軸承套圈的顯微組織、殘余應(yīng)力和圓度，分析了工藝改進(jìn)對其變形的影響，為后續(xù)軸承套圈的大批量生產(chǎn)提供理論支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對象是軸承型號為6311的GCr15軸承鋼套圈，其尺寸如圖1所示，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.94C，0.30Mn，0.002S，1.62Cr，0.23Si，0.003P，余Fe。采用原制造工藝和改進(jìn)工藝制造的GCr15軸承鋼套圈，套圈原制造工藝為原材料鍛造→退火→車削加工→淬火→回火→磨削→裝配，改進(jìn)工藝在原制造工藝磨削工序后增加了二次回火(150 ℃×2 h)和超精研磨過程。

圖1 GCr15軸承鋼套圈的尺寸Fig.1 Size of GCr15 bearing steel ring

使用電火花線切割機(jī)在軸承套圈外表面上取樣，用丙酮超聲波清洗，研磨，機(jī)械拋光，最后用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，使用SU-5000型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。在軸承套圈外圓周表面選擇4個測試點(diǎn)(A～D)，測試點(diǎn)間隔90°，如圖1所示，切割成尺寸為8 mm×8 mm×6 mm的塊狀試樣，采用D8 Discover型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，掃描速率為2(°)·min-1，2θ在30°～100°，殘余奧氏體含量由(200)α、(211)α、(200)γ、(220)γ、(311)γ衍射峰強(qiáng)度計(jì)算得到[16]；采用PROTOX iXRD型殘余應(yīng)力測試儀進(jìn)行周向殘余應(yīng)力測試，采用鉻靶，Kα射線，2θ在145°～165°，測試電壓和電流分別為25 kV和5 mA。采用RA-2200AS型臺式圓度測量儀的0.25 mm拐角測量探針對軸承內(nèi)外表面的圓度進(jìn)行檢測，濾波器設(shè)置為高斯低通150UPR。采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測試硬度，載荷為0.15 N，保載時(shí)間為15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖2可見,增加回火工序前后軸承套圈的顯微組織均由板條馬氏體、殘余奧氏體以及球形碳化物顆粒組成，但在增加回火工序后，顯微組織分布更加均勻[20-21]，并且有細(xì)小的碳化物顆粒析出。

圖2 增加回火工序前后軸承套圈的SEM形貌Fig.2 SEM images of bearing ring before (a) and after (b)adding tempering process

由圖3可以看出：增加回火工序前后軸承套圈中的碳化物顆粒尺寸基本都小于1 μm，且尺寸分布均呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。增加回火工序前，碳化物顆粒尺寸大多集中在0.3～0.6 μm，且尺寸在0.3～0.4 μm的碳化物顆粒數(shù)量最多；增加回火工序后，碳化物顆粒尺寸大多集中在0.4～0.7 μm，且尺寸在0.5～0.6 μm的碳化物顆粒數(shù)量最多，此外尺寸在0～0.3 μm的細(xì)小碳化物顆粒數(shù)量也有所增加。通過統(tǒng)計(jì)分析可知，增加回火工序后，碳化物顆粒總體數(shù)量稍有增加，細(xì)小碳化物顆粒數(shù)量增多[22-23]，并且碳化物顆粒的平均尺寸略微增大[24]。

圖3 增加回火工序前后軸承套圈組織中碳化物顆粒的尺寸分布Fig.3 Size distribution of carbide particles in bearing ring structurebefore and after adding tempering process

回火過程中碳化物的析出會導(dǎo)致馬氏體收縮，而由于相對較軟的奧氏體被較硬的馬氏體包裹，因此殘余奧氏體也受到了額外的壓縮作用[25]，積累了相對較高的壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力不利于應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變，因此材料組織穩(wěn)定性提高，不易發(fā)生變形。

2.2 對殘余奧氏體含量的影響

由圖4可知，增加回火工序后，軸承套圈的XRD譜中奧氏體衍射峰強(qiáng)度有所減小。由表1可知，增加回火工序前軸承套圈外表面的殘余奧氏體平均體積分?jǐn)?shù)為5.63%，增加回火工序后為3.24%。回火處理可以使部分殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，降低殘余奧氏體含量[13]，同時(shí)還可以使沒有轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體變得更加穩(wěn)定，從而提升軸承套圈尺寸的穩(wěn)定性以及減小變形；另外回火溫度越高，回火時(shí)間越長，回火后的殘余奧氏體也會變得越穩(wěn)定[26]。

圖4 增加回火工序前后軸承套圈外表面的XRD譜Fig.4 XRD patterns of outer surface of bearing ring before (a) andafter (b) adding tempering process

表1 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余奧氏體含量

2.3 對殘余應(yīng)力的影響

由表2可以看出：在增加回火工序前，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力分布不均勻，在點(diǎn)B和點(diǎn)D處為拉應(yīng)力且應(yīng)力值較大，在點(diǎn)A和點(diǎn)C處為壓應(yīng)力；增加回火工序后，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力分布較為均勻且應(yīng)力值較小，均為壓應(yīng)力。對比可知，增加回火工序后，軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且應(yīng)力值明顯減小。

表2 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力

2.4 對圓度和硬度的影響

圓度作為評價(jià)軸承精度的一個重要指標(biāo)，影響著軸承服役后的受載均勻性，決定著軸承的使用壽命。圓度越小，實(shí)際圓輪廓(實(shí)測圓直徑與基準(zhǔn)圓直徑之差形成的曲線)越規(guī)則。規(guī)則的圓輪廓將有助于提高接觸表面載荷的均勻性，從而提高服役壽命和可靠性。由圖5可見，軸承套圈內(nèi)外表面的實(shí)際圓輪廓并不規(guī)則。測得增加回火工序前，套圓內(nèi)表面和外表面的圓度分別為8.737，16.973 μm，增加回火工序后分別為1.574，6.766 μm。可見增加回火工序后，軸承套圈內(nèi)外表面的圓度都得到了大幅降低，實(shí)際圓輪廓變得更加規(guī)則，軸承套圈的尺寸精度提高，變形減小。

圖5 增加回火工序前后軸承套圈的圓輪廓Fig.5 Round profile of bearing ring before (a-b) and after (c-d) adding tempering process:(a, c) inner surface and (b, d) outer surface

將殘余應(yīng)力沿圓周的變化曲線與展開的圓輪廓曲線繪于同一圖中進(jìn)行對比分析。由圖6可以看出：殘余應(yīng)力相對較大的位置，軸承套圈的尺寸變化(實(shí)測圓直徑與基準(zhǔn)圓直徑之差)較大，說明套圈變形嚴(yán)重；殘余應(yīng)力相對較小的位置，尺寸變化也較小，套圈變形也小。殘余應(yīng)力與套圈的變形存在正相關(guān)性[27]。將軸承套圈緩慢加熱到150 ℃，保溫2 h回火使其材料內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩慢冷卻到室溫，可以釋放套圈內(nèi)部應(yīng)力并且使應(yīng)力分布變得更加均勻[28]，從而減小軸承套圈的變形，提高其尺寸穩(wěn)定性。此外，增加回火工序后，軸承套圈中的殘余奧氏體含量減少，顯微組織分布更加均勻，并且析出了較多的細(xì)小碳化物顆粒，使得殘余奧氏體更加穩(wěn)定，從而提高了軸承套圈的尺寸穩(wěn)定性，減小了變形。

圖6 增加回火工序前后軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力與尺寸變化曲線Fig.6 Residual stress and size change curves of outer surface of bearing rings before and after adding tempering process

增加回火工序后，軸承套圈的平均硬度為732.7 HV，略高于未增加回火工序的729.1 HV。在回火過程中馬氏體基體中析出少量碳化物，其彌散析出強(qiáng)化作用彌補(bǔ)了碳從馬氏體中析出導(dǎo)致的弱化[20]，可見回火處理對材料硬度的影響很小，因此增加回火工序不會對軸承套圈的耐磨性能產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié) 論

(1) 在軸承套圈磨削后增加一次150 ℃×2 h的回火工序，制造的軸承套圈組織仍主要由板條馬氏體、殘余奧氏體和球形碳化物顆粒組成，相比于未增加此次回火工序，顯微組織分布更加均勻，細(xì)小碳化物顆粒數(shù)量增多，但碳化物平均尺寸略微增大，同時(shí)殘余奧氏體含量減少。

(2) 增加回火工序可以消除由變形不均勻引起的套圈各點(diǎn)處殘余應(yīng)力的差異，使得軸承套圈周向的殘余應(yīng)力分布趨于均勻，且均為較小的殘余壓應(yīng)力。

(3) 增加回火工序后，軸承套圈的變形減小，其內(nèi)外表面圓度分別減小了80%和60%，尺寸精度得到較大提高。增加回火工序后，軸承套圈的殘余應(yīng)力減小且分布變得更加均勻，同時(shí)組織中細(xì)小碳化物增多，使得殘余奧氏體不易發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變而變得更加穩(wěn)定；在上述兩種因素作用下，軸承套圈的尺寸穩(wěn)定性提高，變形減小。