增加回火工序对GCr15轴承钢套圈变形的影响

王一博，李淑欣，舒建明，陈银军

(1.宁波大学机械工程与力学学院，宁波 315211；2.中国环驰轴承集团有限公司，慈溪 315318)

0 引 言

滚动轴承是机械装备中重要的基础零部件，广泛应用于汽车、航天、轨道交通、风电等领域[1]。滚动轴承套圈是轴承的主要部件，运行中承受交变疲劳载荷[2]。套圈滚道的尺寸精度直接影响着轴承的装配精度和质量，从而影响轴承的运行负载分布、动态性能和最终使用寿命[3]。

在生产加工、储存以及服役期间，轴承套圈会发生变形，其圆度和尺寸会发生变化，最终导致轴承零件精度下降，严重影响使用寿命。轴承套圈的变形与多种因素有关，主要包括热处理温度与时间、退火处理、锻造以及是否及时回火等[4]。研究人员通过改进装夹方法、改良淬火方式以及延长研磨时间等方法来减小变形[5-6]；这些方法虽然不能完全消除变形，但可以将变形量降低到可接受范围，这样引起变形的主要原因就只是材料中残余应力、残余奥氏体含量以及相转变等。当轴承套圈整体应力失去平衡时必然发生变形，一切减小或减慢应力变化的方法都可以减小变形[7]，其加工过程中的回火工序就是为了去除应力[8]。此外，残余奥氏体组织也是影响轴承套圈变形和尺寸精度的关键因素[9-16]；残余奥氏体是一种亚稳相，在轴承存放及服役过程中很容易发生马氏体转变，由于奥氏体组织与马氏体组织有比容差异，导致轴承套圈产生变形，引起轴承套圈尺寸的变化[17]。对精密轴承的回火研究表明，增加回火工序、延长回火时间、提高回火温度，都能够有效减少残余奥氏体含量，提高组织稳定性，从而减小变形[14-15]。

轴承套圈的常规制造工艺为原材料锻造→退火→车削加工→淬火→回火→磨削→装配，整个过程仅进行了一次回火。经过一次回火处理后的轴承套圈在储存以及服役期间容易发生变形，圆轮廓不均匀。在实际生产过程中为了解决零件的变形问题，往往在磨削工艺之后增加回火工艺，以提高零件的尺寸稳定性[18-19]。因此，为了减小轴承套圈的圆度，亦即减小变形不均匀性，增加套圈尺寸的稳定性，可考虑在常规制造工艺中再增加一次回火工序(二次回火)。作者以GCr15轴承钢套圈为研究对象，在其原制造工艺的套圈磨削之后增加了一道150 ℃×2 h回火工序，对比研究了工艺改进前后轴承套圈的显微组织、残余应力和圆度，分析了工艺改进对其变形的影响，为后续轴承套圈的大批量生产提供理论支持。

1 试样制备与试验方法

试验对象是轴承型号为6311的GCr15轴承钢套圈，其尺寸如图1所示，化学成分(质量分数/%)为0.94C，0.30Mn，0.002S，1.62Cr，0.23Si，0.003P，余Fe。采用原制造工艺和改进工艺制造的GCr15轴承钢套圈，套圈原制造工艺为原材料锻造→退火→车削加工→淬火→回火→磨削→装配，改进工艺在原制造工艺磨削工序后增加了二次回火(150 ℃×2 h)和超精研磨过程。

图1 GCr15轴承钢套圈的尺寸Fig.1 Size of GCr15 bearing steel ring

使用电火花线切割机在轴承套圈外表面上取样，用丙酮超声波清洗，研磨，机械抛光，最后用体积分数4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，使用SU-5000型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。在轴承套圈外圆周表面选择4个测试点(A～D)，测试点间隔90°，如图1所示，切割成尺寸为8 mm×8 mm×6 mm的块状试样，采用D8 Discover型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，扫描速率为2(°)·min-1，2θ在30°～100°，残余奥氏体含量由(200)α、(211)α、(200)γ、(220)γ、(311)γ衍射峰强度计算得到[16]；采用PROTOX iXRD型残余应力测试仪进行周向残余应力测试，采用铬靶，Kα射线，2θ在145°～165°，测试电压和电流分别为25 kV和5 mA。采用RA-2200AS型台式圆度测量仪的0.25 mm拐角测量探针对轴承内外表面的圆度进行检测，滤波器设置为高斯低通150UPR。采用HV-1000型显微硬度计测试硬度，载荷为0.15 N，保载时间为15 s。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图2可见,增加回火工序前后轴承套圈的显微组织均由板条马氏体、残余奥氏体以及球形碳化物颗粒组成，但在增加回火工序后，显微组织分布更加均匀[20-21]，并且有细小的碳化物颗粒析出。

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

由图3可以看出：增加回火工序前后轴承套圈中的碳化物颗粒尺寸基本都小于1 μm，且尺寸分布均呈现近似正态分布。增加回火工序前，碳化物颗粒尺寸大多集中在0.3～0.6 μm，且尺寸在0.3～0.4 μm的碳化物颗粒数量最多；增加回火工序后，碳化物颗粒尺寸大多集中在0.4～0.7 μm，且尺寸在0.5～0.6 μm的碳化物颗粒数量最多，此外尺寸在0～0.3 μm的细小碳化物颗粒数量也有所增加。通过统计分析可知，增加回火工序后，碳化物颗粒总体数量稍有增加，细小碳化物颗粒数量增多[22-23]，并且碳化物颗粒的平均尺寸略微增大[24]。

图3 增加回火工序前后轴承套圈组织中碳化物颗粒的尺寸分布Fig.3 Size distribution of carbide particles in bearing ring structurebefore and after adding tempering process

回火过程中碳化物的析出会导致马氏体收缩，而由于相对较软的奥氏体被较硬的马氏体包裹，因此残余奥氏体也受到了额外的压缩作用[25]，积累了相对较高的压应力。这种压应力不利于应变诱导马氏体相变，因此材料组织稳定性提高，不易发生变形。

2.2 对残余奥氏体含量的影响

由图4可知，增加回火工序后，轴承套圈的XRD谱中奥氏体衍射峰强度有所减小。由表1可知，增加回火工序前轴承套圈外表面的残余奥氏体平均体积分数为5.63%，增加回火工序后为3.24%。回火处理可以使部分残余奥氏体发生转变，降低残余奥氏体含量[13]，同时还可以使没有转变的残余奥氏体变得更加稳定，从而提升轴承套圈尺寸的稳定性以及减小变形；另外回火温度越高，回火时间越长，回火后的残余奥氏体也会变得越稳定[26]。

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

表1 增加回火工序前后轴承套圈外表面的残余奥氏体含量

2.3 对残余应力的影响

由表2可以看出：在增加回火工序前，轴承套圈外表面的残余应力分布不均匀，在点B和点D处为拉应力且应力值较大，在点A和点C处为压应力；增加回火工序后，轴承套圈外表面的残余应力分布较为均匀且应力值较小，均为压应力。对比可知，增加回火工序后，轴承套圈外表面的残余应力全部转变为压应力，且应力值明显减小。

表2 增加回火工序前后轴承套圈外表面的残余应力

2.4 对圆度和硬度的影响

圆度作为评价轴承精度的一个重要指标，影响着轴承服役后的受载均匀性，决定着轴承的使用寿命。圆度越小，实际圆轮廓(实测圆直径与基准圆直径之差形成的曲线)越规则。规则的圆轮廓将有助于提高接触表面载荷的均匀性，从而提高服役寿命和可靠性。由图5可见，轴承套圈内外表面的实际圆轮廓并不规则。测得增加回火工序前，套圆内表面和外表面的圆度分别为8.737，16.973 μm，增加回火工序后分别为1.574，6.766 μm。可见增加回火工序后，轴承套圈内外表面的圆度都得到了大幅降低，实际圆轮廓变得更加规则，轴承套圈的尺寸精度提高，变形减小。

图5 增加回火工序前后轴承套圈的圆轮廓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

将残余应力沿圆周的变化曲线与展开的圆轮廓曲线绘于同一图中进行对比分析。由图6可以看出：残余应力相对较大的位置，轴承套圈的尺寸变化(实测圆直径与基准圆直径之差)较大，说明套圈变形严重；残余应力相对较小的位置，尺寸变化也较小，套圈变形也小。残余应力与套圈的变形存在正相关性[27]。将轴承套圈缓慢加热到150 ℃，保温2 h回火使其材料内部发生弛豫，然后缓慢冷却到室温，可以释放套圈内部应力并且使应力分布变得更加均匀[28]，从而减小轴承套圈的变形，提高其尺寸稳定性。此外，增加回火工序后，轴承套圈中的残余奥氏体含量减少，显微组织分布更加均匀，并且析出了较多的细小碳化物颗粒，使得残余奥氏体更加稳定，从而提高了轴承套圈的尺寸稳定性，减小了变形。

图6 增加回火工序前后轴承套圈外表面的残余应力与尺寸变化曲线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，轴承套圈的平均硬度为732.7 HV，略高于未增加回火工序的729.1 HV。在回火过程中马氏体基体中析出少量碳化物，其弥散析出强化作用弥补了碳从马氏体中析出导致的弱化[20]，可见回火处理对材料硬度的影响很小，因此增加回火工序不会对轴承套圈的耐磨性能产生不良影响。

3 结 论

(1) 在轴承套圈磨削后增加一次150 ℃×2 h的回火工序，制造的轴承套圈组织仍主要由板条马氏体、残余奥氏体和球形碳化物颗粒组成，相比于未增加此次回火工序，显微组织分布更加均匀，细小碳化物颗粒数量增多，但碳化物平均尺寸略微增大，同时残余奥氏体含量减少。

(2) 增加回火工序可以消除由变形不均匀引起的套圈各点处残余应力的差异，使得轴承套圈周向的残余应力分布趋于均匀，且均为较小的残余压应力。

(3) 增加回火工序后，轴承套圈的变形减小，其内外表面圆度分别减小了80%和60%，尺寸精度得到较大提高。增加回火工序后，轴承套圈的残余应力减小且分布变得更加均匀，同时组织中细小碳化物增多，使得残余奥氏体不易发生应变诱导马氏体相变而变得更加稳定；在上述两种因素作用下，轴承套圈的尺寸稳定性提高，变形减小。