摘 要

本研究對強(qiáng)力旋軋（Power torsional rolling, PTR）GCr15軸承鋼的疲勞性能進(jìn)行了研究。通過PTR實驗獲得GCr15軸承鋼無縫管材，并對所獲無縫管材進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，采用金相分析和滾動接觸疲勞壽命試驗分析了管材的顯微組織和疲勞性能。結(jié)果表明，在壓-扭復(fù)合劇烈塑性變形的作用下PTR改性的管材晶粒度達(dá)到9級，碳化物平均尺寸為 0.78μm，較來料棒材細(xì)化16.12%。滾動接觸疲勞試驗結(jié)果表明PTR改性后的GCr15無縫管材的額定疲勞壽命達(dá)到5.3905*106循環(huán)周次，較來料棒材提升16.13%，疲勞壽命的提高主要與細(xì)小且均勻分布的碳化物密切相關(guān)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本研究所用原材料為某鋼廠軋制態(tài)GCr15棒材，采用 SPECTOR M9型直讀光譜儀和ELTRA ON900型氧氮分析儀對來料棒材和PTR改性后無縫管的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗，成分檢測結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗方法

本研究主要涉及強(qiáng)力旋軋（PTR）加工方法、顯微組織分析和滾動接觸疲勞壽命試驗。首先，對GCr15軸承鋼來料棒材進(jìn)行強(qiáng)力旋軋實驗獲得無縫管材，并對所獲管材和原材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，具體工藝流程如圖1所示。其次，對原材料棒材和所獲管材進(jìn)行金相分析，檢測其晶粒度和統(tǒng)計碳化物大小分布規(guī)律，金相試樣的取樣位置如圖2所示。樣品經(jīng)研磨拋光后采用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，在奧林巴斯光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織的表征。最后，對來料和改性后管材進(jìn)行滾動接觸疲勞壽命試驗測試，實驗原理和過程如下所示。

滾動接觸疲勞試驗采用推力式接觸，其工作原理與推力球軸承相似，僅將推力球軸承的座圈以環(huán)形平面試樣所代替。推力球軸承的軸圈固定在主軸的下端，環(huán)形試樣固定在支承座內(nèi)，將推力球軸承的鋼球保持架組件放置在軸圈與環(huán)形試樣之間，施加試驗力，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動時，通過摩擦力驅(qū)動保持架中的鋼球進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，在環(huán)形試樣上形成一條應(yīng)力循環(huán)帶，直到循環(huán)帶上出現(xiàn)疲勞剝落坑為止，試驗原理圖見圖3。將棒料和管材經(jīng)過車削、熱處理、粗磨和精研等加工工藝后，制備成圖4所示尺寸的試樣。將試樣依次安裝到 TLP 滾動接觸疲勞試驗機(jī)組上（見圖5），并按JB/T10510-2005《滾動軸承零件接觸疲勞試驗方法》進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗。試驗載荷選用4508MPa，試驗機(jī)轉(zhuǎn)速為2040r/min，潤滑介質(zhì)為N32 機(jī)油，冷卻油溫小于55℃，試驗方法采用高可靠性完全失效法進(jìn)行試驗，子樣數(shù)量為16 個。

按照GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)分別對棒材和PTR改性后管材的碳化物帶狀進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表2所示。由表可知，棒料的帶狀碳化物的不均勻性為2級，管材碳化物不均勻性為1級，優(yōu)于棒料碳化物帶狀。這是由于管材在PTR改性過程中受壓-扭復(fù)合劇烈塑性變形作用碳化物破碎后尺寸更加細(xì)小且分布更均勻。

如圖7所示為棒料和管材的碳化物顯微組織照片，由圖可知，管材碳化物顆粒的分布較來料棒材更加細(xì)小。通過金相分析統(tǒng)計軟件并對碳化物顆粒的分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。由表可得，棒料和管材的碳化物平均尺寸分別為0.93μm和0.78μm。通過Origin繪圖軟件獲得碳化物顆粒尺寸分布柱狀圖如圖8所示。由圖可得，管材小于1μm的碳化物個數(shù)達(dá)到7086個，占總碳化物的74.2%。棒材小于1μm的碳化物個數(shù)達(dá)到4549個，占總碳化物的59.6%。綜合對比結(jié)果表明，管材成型過程受壓扭復(fù)合變形作用，碳化物被打碎，因而其同樣視場面積內(nèi)碳化物數(shù)量更多，尺寸更加細(xì)小，分布更加均勻。

2.2 晶粒度分析

來料棒材和PTR改性后無縫管材的晶粒形貌如圖9所示，試樣的平均晶粒度按照GB/T6394-2017標(biāo)準(zhǔn)采用截點法進(jìn)行檢驗，結(jié)果見表4所示。由表4可知，與來料棒材進(jìn)行對比，經(jīng)強(qiáng)力旋軋后的管材的晶粒尺寸細(xì)化至9級。

2.3 滾動接觸疲勞結(jié)果分析

滾動接觸疲勞壽命試驗結(jié)果如表5所示。由表可知，同樣熱處理工藝條件下GCr15軸承鋼無縫管材的硬度值普遍高于來料棒材。經(jīng)PTR改性后的GCr15軸承鋼無縫管材的額定疲勞壽命達(dá)到5.3905*106循環(huán)周次，較來料棒材提升16.13%，疲勞壽命的提高主要與細(xì)小、均勻分布的碳化物密切相關(guān)。

將表5中的疲勞壽命試驗結(jié)果按照J(rèn)B/T 10510-2005《滾動軸承零件接觸疲勞試驗方法》 中數(shù)據(jù)處理方法的規(guī)定，通過參數(shù)韋布爾函數(shù)公式（1） ~（4），計算出接觸疲勞壽命試驗的L10及韋布爾分布的斜率參數(shù)b，并繪制出P-N曲線，結(jié)果見表6及圖10。由圖可知，管材的額定壽命高于棒料的額定壽命。

3 結(jié)論

本研究對PTR改性GCr15軸承鋼的滾動接觸疲勞壽命進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）PTR技術(shù)可顯著細(xì)化GCr15軸承鋼碳化物尺寸并提高其分布的均勻性。受壓扭復(fù)合劇烈塑性變形的作用，PTR改性后的GCr15軸承鋼碳化物的平均尺寸為0.78μm，較來料棒材細(xì)化16.12%，且分布更加均勻。 

（2）PTR改性后的GCr15軸承鋼無縫管材的額定疲勞壽命達(dá)到5.3905*106循環(huán)周次，較來料棒材提升16.13%，疲勞壽命的提高主要與細(xì)小、均勻分布的碳化物密切相關(guān)。