《熱處理》2016年第31卷 第3期
阿野亮介¹，藤井正浩²，大崎浩志¹
(1．(株)天遷鋼球製作所技術(shù)開發(fā)部，日本；2．岡山大學(xué)大學(xué)院自然科學(xué)研究科，日本)

摘要：滾動(dòng)軸承是一種重要的機(jī)械零件，是工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ畹幕A(chǔ)。要求軸承圈和滾動(dòng)元件的接觸面具有很高的承受周期性載荷的穩(wěn)定性。對(duì)于深溝滾珠軸承這樣的滾動(dòng)軸承，其滾珠廣泛采用高碳鉻軸承鋼(JIS SUJ2)制作。筆者研發(fā)了可靠性較高的鋼球材料，弄清了與滾動(dòng)疲勞有關(guān)的特性的影響。本文采用熱處理工藝(淬火和回火)、噴丸及制造工藝不同的各種鋼球，研究了熱處理和噴丸處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命的影響，從而弄清了硬度和組織對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響，獲得了最合適的熱處理工藝。此外還弄清了噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)縮短鋼球的疲勞壽命，提出了最佳的殘余應(yīng)力分布。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；鋼球；疲勞壽命；熱處理；殘余應(yīng)力；噴丸

中圖分類號(hào)：TG162.7?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1008-1690(2016)03-0043-06

Influence of Heat Treatment and Residual Stress on Rolling Fatigue of Steel Ball

Ryousuke AN0¹, Masahiro FUJII², Hiroshi OHSAKI¹
(1. Technology Development Department，Amatsuji Steel Ball Mfg. Co., Ltd., Japan; 2. The Graduate School Science and Technology, Japan)

Abstract: Rolling bearing is an important machine element on which industry and people’s daily life are based. The contact surface of beating rings and rolling elements are expected to have high reliability against repeated load. As the material for steel balls used for rolling bearing such as a deep groove ball beating, high carbon—chromium steel for bearing(JIS suJ2)is widely used. The authors have developed materials used for bearing ball to gain higher reliability, and have clarified the effect of characteristics associated with the rolling fatigue. In this paper the influence of heat treatment and residual stress formed by peening process on rolling fatigue life is investigated with various steel balls prepared by various heat treatment (hardening and tempering), peening and manufacturing processes. Consequently, the effect of hardness and microstructure on the rolling fatigue life of the steel ball was clarified, and the most appropriate heat treatment practice was derived. Also, it was clarified that the residual stress developed during peening will shorten the fatigue life of steel ball，an optimum residual stress distribution being proposed.

Key words: rolling bearing; steel ball; fatigue life; heat treatment; residual stress; peening

0 引言

滾動(dòng)軸承是一種與工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的重要機(jī)械零件，其結(jié)構(gòu)元件(滾動(dòng)體和軸承圈滾道)的接觸面承受周期性載荷，故要求具有很高的運(yùn)行可靠性。對(duì)于深溝滾珠軸承這樣的滾動(dòng)軸承，其滾珠(鋼球)廣泛采用高碳鉻軸承鋼SUJ2制作。

目前，為了提高軸承的可靠性，人們進(jìn)行了有關(guān)新鋼球材料的研發(fā)。具體地說，就是在SUJ2鋼的基礎(chǔ)上添加Si和Mo，以提高回火抗力和馬氏體強(qiáng)度。關(guān)于這一點(diǎn)，有關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)做過介紹。但是，這種鋼球用的材料價(jià)格昂貴，難以推廣應(yīng)用。所以迄今鋼球行業(yè)仍廣泛采用SUJ2鋼。

本文研究了熱處理和噴丸處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)SUJ2鋼制鋼球可靠性以及滾動(dòng)疲勞壽命的影響。盡管熱處理工藝的最佳化以及殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，業(yè)內(nèi)已作了較多的研究，但關(guān)于殘留應(yīng)力，不僅是其數(shù)值大小，同時(shí)也涉及噴丸處理前后磨削量的變化對(duì)應(yīng)力分布的影響，這些都有詳細(xì)探究的必要。

本文采用動(dòng)載荷壽命試驗(yàn)機(jī)，評(píng)定了經(jīng)不同工藝熱處理、噴丸強(qiáng)化以及噴丸處理前后磨削量不同的SUJ2鋼制鋼球的疲勞壽命。

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 材料

如上所述，試驗(yàn)用鋼球材料為SUJ2鋼，其化學(xué)成分列于表1。眾所周知，滾動(dòng)軸承的剝落主要發(fā)生在滾動(dòng)體與滾道的接觸面，系以氧化物類的非金屬類夾雜物為起點(diǎn)。為此，長(zhǎng)期以來，人們一直致力于降低鋼中氧含量的研究。本文選用的鋼球材料系含氧量為5 X 10^-6的低氧鋼。圖1表示采用極值統(tǒng)計(jì)法獲得的試驗(yàn)用鋼的純凈度評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)用材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), ％)
Table 1 Chemical compositions of test material(mass fraction, ％)

試驗(yàn)用材	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	O	Ti
SUJ2鋼	1.00	0.22	0.31	0.017	0.006	0.06	1.42	0.02	0.09	0.0005	0.0017

為了研究熱處理工藝和殘余應(yīng)力對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響，盡可能排除純凈度的影響，采用高純凈度的材料極為重要。由圖1可以看出，本文研究用鋼的純凈度優(yōu)于鋼球常用材料(試樣A和B)，而且試驗(yàn)用鋼球全部用同一冶煉爐號(hào)的線材制作。

1.2 試驗(yàn)鋼球

鋼球制造時(shí)通常先將購入的線材切割成一定長(zhǎng)度的坯料，然后用半球形沖模冷沖成球形，這時(shí)在模具的間隙中將形成飛邊，隨后的工藝是去除飛邊，再進(jìn)行熱處理(淬火和回火)，使鋼球具備適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。接著進(jìn)行磨削和超精加工，還須進(jìn)行噴丸處理。

所謂噴丸處理，就是將鋼球裝入滾筒內(nèi)，使鋼球因攪拌作用而相互撞擊，借此防止之后在搬運(yùn)及裝配時(shí)表面產(chǎn)生劃痕。

圖2為試驗(yàn)鋼球強(qiáng)化處理所用設(shè)備的簡(jiǎn)圖。在向帶有葉輪的滾筒中裝入鋼球后，滾筒本身的回轉(zhuǎn)就能攪拌鋼球。同時(shí)，由于滾筒內(nèi)設(shè)置了葉輪，它與滾筒逆向旋轉(zhuǎn)，可提高鋼球之間的沖擊速度。也就是說，變更滾筒和葉輪的旋轉(zhuǎn)速度以及處理時(shí)間，就可以使鋼球產(chǎn)生不同大小的殘余壓應(yīng)力。

圖3表示經(jīng)和未經(jīng)噴丸處理的鋼球，在不同的外加接觸應(yīng)力作用下，在接觸部位形成的壓痕深度。由圖3可知，經(jīng)過噴丸處理的鋼球壓痕明顯變淺，可見噴丸處理是抑制壓痕深度的極為有效的措施。而且如圖3所示，噴丸處理的有效性表現(xiàn)在實(shí)際鋼球在裝配中極高的壓應(yīng)力所造成的后果。日常生產(chǎn)中，雖然鋼球裝配中產(chǎn)生的壓痕非常淺，對(duì)滾動(dòng)疲勞

壽命也無明顯影響，但其對(duì)滾動(dòng)軸承的噪聲卻有極其嚴(yán)重的影響。

本文試驗(yàn)用鋼球的熱處理及噴丸處理工藝參數(shù)列于表2。如表2所示，試樣(a～i)只進(jìn)行不同工藝的熱處理，不進(jìn)行噴丸處理

表2 鋼球試樣的熱處理和噴丸工藝參數(shù)
Table 2 Heat treatment and peening conditions of sample balls

試樣

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

m

n

o

淬火溫度/K

1103

1133

1163

1133

回火溫度/K

403

433

463

403

433

463

403

433

463

433

滾筒轉(zhuǎn)速 /?(r/min)

–

–

–

–

–

–

–

–

–

60

葉輪轉(zhuǎn)速 /?(r/min)

–

–

–

–

–

–

–

–

–

200

300

500

200

300

500

噴丸時(shí)間 / min

–

–

–

–

–

–

–

–

–

90

120

120

90

120

120

殘余應(yīng)力位置

–

–

–

–

–

–

–

–

–

鋼球內(nèi)部

鋼球表面

試樣(a)～(c)、(d)～(f)、(g)～(i)的淬火溫度分別為1 103 K、1 133 K和1 163 K；回火溫度，試樣(a)、(d)、(g)為403 K，(b)、(e)、(h)為433 K，(c)、(f)、(i)為463 K。如此變更熱處理工藝參數(shù)，例如試樣(a)、(b)、(c)可以在相同淬火溫度(1 103 K)條件下試驗(yàn)回火溫度(分別為403 K、433 K、463 K)對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響。同理，試樣(a)、(d)、(g)則可以用來試驗(yàn)在403 K回火條件下，不同淬火溫度(1 103 K、1 133 K、1 163 K)對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響。

此外，將試樣(j)～(o)設(shè)定淬火溫度為1 133 K，回火溫度統(tǒng)一為433 K，改變噴丸處理工藝，用來研究殘余應(yīng)力的影響。試樣(j)～(o)的噴丸處理工藝為：滾筒轉(zhuǎn)速60 r/min，改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速和處理時(shí)間，使噴丸處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力發(fā)生變化。殘余壓應(yīng)力值的大小排序?yàn)椋?br /> 試樣(j)、(m)<試樣(k)、(／1)<試樣(1)、(O)
試樣(j)、(in)，試樣(k)、(n)以及試樣(1)、(0)
則是噴丸工藝相同，改變噴丸處理前后的磨削量，目的是研究成品鋼球的應(yīng)力分布狀態(tài)。在噴丸處理時(shí)，殘余應(yīng)力不是在鋼球的表面而是在表面以下部位形成的，其峰值處于試樣(j)、(k)、(1)和(m)、(n)、(o)三者在試驗(yàn)完成時(shí)最接近表面的部位。

圖4表示試樣(j)～(o)中的殘余應(yīng)力分布，是在鋼球表面電解拋光之后用x射線衍射法測(cè)定的。試樣(j)～(o)是熱處理工藝相同時(shí)的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。此外，圖4中還表示出了下文提到的試樣(j)的殘余應(yīng)力影響區(qū)S_σ。

還須說明，試驗(yàn)用鋼球的原材料線徑為6.5 mm，鋼球的成品尺寸為9.53 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

采用如圖5所示的普田型交變載荷疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼球滾動(dòng)疲勞壽命試驗(yàn)，表3和圖6表示試驗(yàn)條件以及交變載荷的波形。在深溝滾珠軸承運(yùn)行中僅承受徑向載荷，軸承內(nèi)也存在非負(fù)載區(qū)，此區(qū)域中鋼球自轉(zhuǎn)中心變化率極高，為此內(nèi)外套和鋼球的循環(huán)應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致體積增加，鋼球的壽命將比套圈長(zhǎng)。而在本文試驗(yàn)條件下，鋼球先發(fā)生剝落，但其機(jī)制尚不明確。

表3 動(dòng)載式滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)條件
Table 3 Conditions of dynamic load type rolling contact fatigue test

軸承試樣	6206
載荷 / kN	11.8 ± 7.8
軸承轉(zhuǎn)速 / (r/min)	2 000
潤(rùn)滑劑	軸承潤(rùn)滑油 (ISO-VG8)
最大赫茲接觸應(yīng)力 / GPa	4.8 (在19.6 kN下)

再者，如果在鋼球剝落前內(nèi)外套已經(jīng)剝落，則更換內(nèi)外套繼續(xù)試驗(yàn)，至1 000 h時(shí)中斷試驗(yàn)。本文試驗(yàn)是針對(duì)鋼球，下面的維泊爾(Weibull)分布圖可以用來分析鋼球的疲勞壽命。

圖7為試驗(yàn)中剝落鋼球的典型外觀形態(tài)。試驗(yàn)中，潤(rùn)滑幾乎是彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(EHL)狀態(tài)。一旦鋼球內(nèi)部發(fā)生開裂，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展導(dǎo)致剝落，表現(xiàn)為典型的滾動(dòng)疲勞損傷。試驗(yàn)中，鋼球剝落的深度為0.5～1.0 mm，也有部分超過1.0 mm的深度剝落損傷。此外，疲勞壽命短的試樣(h)和(i)的剝落都非常淺，不到0.5 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱處理工藝對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響

為了研究熱處理工藝對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響，采用經(jīng)表2所列工藝熱處理的鋼球試樣(a)～(i)進(jìn)行了滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(維泊爾分布圖)如圖8所示。圖8的L₁₀壽命匯總于圖9。圖9表明，熱處理工藝對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命有很大的影響。不同溫度淬火，回火溫度低的鋼球的疲勞壽命均較高。此外，1 103 K淬火的鋼球和1 133 K淬火的鋼球相比，淬火溫度較高的鋼球疲勞壽命較高。1 163 K淬火的鋼球，即使回火溫度也高，但其滾動(dòng)疲勞壽命仍最短，可見淬火溫度的選用極為關(guān)鍵。

下面根據(jù)經(jīng)不同工藝熱處理后鋼球的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)論述組織和x射線衍射分析結(jié)果。

2.2 殘余應(yīng)力對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響

為了研究殘余應(yīng)力對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響，采用經(jīng)表2所列工藝熱處理的鋼球試樣(i)～(o)進(jìn)行了滾動(dòng)疲勞壽命試驗(yàn)，結(jié)果(維泊爾分布圖)如圖10所示。將圖l0的L₁₀壽命匯總于圖11，圖11的橫座標(biāo)s 對(duì)應(yīng)于圖4中試樣(j)的S_σ(j)是試驗(yàn)鋼球的殘余應(yīng)力分布(近似曲線)與殘余應(yīng)力σ=0的鏈軸所圍繞的面積，表示承受殘余應(yīng)力的區(qū)域，同時(shí)表示出了各試驗(yàn)鋼球的S_σ與S_σ(j)的比值。

由圖11可見，殘余壓應(yīng)力最大的部位如果從試樣(j)～(l)的內(nèi)部擴(kuò)展到試樣(m)～(o)的表面附近，即噴丸處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的施加區(qū)域S_σ越大，鋼球的滾動(dòng)疲勞壽命就越短。此外，盡管熱處理工藝相同，如鋼球(1)呈現(xiàn)出最短疲勞壽命那樣，在試驗(yàn)鋼球內(nèi)部如存在殘余應(yīng)力峰值，則其疲勞壽命會(huì)更低。

3 考察分析

3.1 熱處理工藝對(duì)鋼球疲勞壽命的影響

圖12表示試樣(a)～ (i)的硬度、用X射線衍射測(cè)定的半最大值全寬度(FWHM)及殘留奧氏體含量(以下簡(jiǎn)稱殘奧量)，其中FWHM和殘奧量是在試驗(yàn)鋼球距表面100 μm、200 μm和300 μm深度處測(cè)定結(jié)果的平均值。

此外，圖13為試樣(a)、(d)、(g)的殘留碳化物面積率及原奧氏體晶粒的平均尺寸。殘留碳化物的面積率、奧氏體晶粒的平均尺寸與淬火溫度有關(guān)，分別從1 103 K、1 133 K和1 163 K淬火的試樣(a)、(d)和(g)的研究結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。

由圖12可知，隨著回火溫度的升高，鋼球的硬度均下降。但是，從1 133 K淬火的試樣(d)、(e)和(f)的FWHM最大，這也與鋼球的高硬度相對(duì)應(yīng)。另外，隨著淬火溫度的升高，作為軟組織的殘留奧氏體的數(shù)量也隨之增加，當(dāng)其含量為10％～20％時(shí)對(duì)試驗(yàn)鋼球的硬度值影響較小。再看圖13，淬火溫度升高，殘留碳化物的面積率減少，固溶效果增強(qiáng)，原奧氏體晶粒的平均粒徑則增大。

如上所述，在研究熱處理工藝對(duì)鋼球滾動(dòng)疲勞壽命的影響方面，鋼球的硬度是很容易通過改變熱處理工藝(淬火溫度、回火溫度)來調(diào)整的。但鋼球的硬度不是影響其滾動(dòng)疲勞壽命的唯一因素。圖12中，硬度同為64 HRC的試樣(b)、(e)和(h)，如圖9所示其L 。壽命卻相差100倍之多。這表明用硬度不能足以評(píng)價(jià)鋼球的疲勞壽命。

鋼球的滾動(dòng)疲勞壽命還受到以殘留碳化物面積率為指標(biāo)的馬氏體含碳量、原奧氏體晶粒的平均尺寸及FWHM等因素的影響。

考慮到以上因素，圖13中淬火溫度同為1 133 K的試樣(d)、(e)和(f)，其馬氏體中固溶的碳含量與原奧氏體晶粒的大小有最佳的平衡。結(jié)果就有了如圖l2所示的最高的硬度和最大的FWHM。因此，就獲得了如圖9所示鋼球的最佳滾動(dòng)疲勞壽命。

另外，關(guān)于回火溫度的影響，對(duì)圖9中試樣(d)、(e)和(f)進(jìn)行比較可知，回火溫度越低，鋼球的滾動(dòng)疲勞壽命越長(zhǎng)。但是回火溫度過低會(huì)導(dǎo)致鋼球磨削開裂，應(yīng)避免回火溫度過低。試樣(J)～(O)的最佳熱處理工藝為：淬火溫度1 133 K，回火溫度433 K。

3.2 殘余壓應(yīng)力對(duì)鋼球疲勞壽命的影響

如圖4所示，曾通過改變噴丸處理工藝及其處理前后的磨削量來得到殘余應(yīng)力值及其分布狀態(tài)不同的鋼球。

圖14表示試樣(J)～(o)采用X射線衍射測(cè)定的FWHM分布。噴丸處理時(shí)由于鋼球之問的碰撞，鋼球內(nèi)部形成殘余壓應(yīng)力，致使其FWHM下降。

再者，關(guān)于S_(FWHM)，如圖14中試樣(j)對(duì)應(yīng)的S_FWHM(j)，試驗(yàn)鋼球的FWHM分布（近似曲線）與FWHM=700 degree的縱軸圍成的面積，為FWHM減少的區(qū)域。各試驗(yàn)鋼球的S_FWHM與S_FWHM(j)類同。由于滾動(dòng)疲勞致使FWHM下降，噴丸處理使鋼球內(nèi)部形成殘余壓應(yīng)力，同時(shí)使FWHM下降，結(jié)果是鋼球相當(dāng)于承受滾動(dòng)疲勞。

同時(shí)，將圖9中未進(jìn)行噴丸處理的試樣(e)的L₁₀壽命相對(duì)照，熱處理工藝相同的圖11的試樣(j)～(o)的L₁₀壽命都非常短。主要原因是，噴丸處理產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)縮短滾動(dòng)疲勞壽命，并且殘余壓力的施力區(qū)S_σ與FWHM的減少區(qū)域S_FWHM值也隨噴丸處理前后研磨量而變化，在1.2節(jié)中述及的以抑制壓痕產(chǎn)生為主要目的的噴丸強(qiáng)化，如果考察其對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命的影響，則應(yīng)該具有試樣(m)～ (o)應(yīng)力分布狀態(tài)。

本文著眼于研究容易檢測(cè)的鋼球表層的殘余壓應(yīng)力(切線方向)，檢測(cè)結(jié)果中考慮了電解磨削引起殘余應(yīng)力重新分布的影響。此外，尚未定量反映鋼球內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力。但是，由于是與鋼球表層的殘余壓應(yīng)力(切線方向)相平衡的，如鋼球內(nèi)部(剝落深度附近)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(徑向)，鋼球表層切線方向的殘余壓應(yīng)力越大，鋼球內(nèi)部(徑向)的殘余拉應(yīng)力也將越大。對(duì)于鋼球內(nèi)部的剝落損傷而言，徑向的殘余拉應(yīng)力是不能忽視的。本文僅討論了鋼球表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命的影響，也間接反映了鋼球內(nèi)部殘余拉應(yīng)力的影響。

4 結(jié)論

(1)熱處理工藝影響鋼球的滾動(dòng)疲勞壽命。在硬度值相同的情況下，如果馬氏體中的含碳量和原奧氏體晶粒尺寸不同，其滾動(dòng)疲勞壽命也大不相同。

(2)為使鋼球獲得良好的滾動(dòng)疲勞壽命，熱處理時(shí)，必須保證鋼球在淬火溫度下，奧氏體晶粒既不粗化又能使鋼球淬火后馬氏體中有適度的含碳量。同時(shí)，回火溫度的設(shè)定應(yīng)以半最大值全寬度(FWHM)不過分下降為宜。

(3)鋼球的滾動(dòng)疲勞壽命受殘余應(yīng)力施力區(qū)大小的影響。該區(qū)域越大，F(xiàn)WHM越低，滾動(dòng)疲勞壽命越短

(本文由江蘇LCD軸承研究所股份有限公司黃培高級(jí)工程師根據(jù)日文資料編譯)