稀土对GCr15轴承钢滚动接触疲劳中微点蚀的影响

2023-10-13李林龙薛伟海高禩洋段德莉

摩擦学学报 2023年9期

李林龙,吴彼,薛伟海,高禩洋,段德莉,李曙

(中国科学院金属研究所辽宁省航发材料摩擦学重点实验室,辽宁沈阳 110016)

轴承是高端装备的关键核心部件，通常人们比较关注的是轴承的疲劳失效寿命.随着钢铁冶炼工艺的不断进步，轴承材料的纯净化和均质化已经大幅提升[1-2].此外，轴承设计和加工工艺也不断更新换代.目前，在很多应用中，轴承的疲劳失效寿命已经不是制约轴承性能的关键因素，轴承的精度寿命逐渐凸显.例如，现在的高端机床轴承通常由于达到轴承精度寿命而失效[3-4].精度寿命指的是轴承在运行过程中的振动、摩擦力矩和外圈温升等指标超过规定值，导致主轴旋转精度降低，进而影响机床的加工精度，此时轴承就达到了实际使用寿命，该实际使用寿命就是轴承精度寿命[5-6].轴承达到精度寿命时，内外圈、滚动体和保持架并没有发生宏观的损伤，例如疲劳失效时肉眼可见的大剥落坑等.通常出现的变化是内外圈滚道面上出现的大量小的剥落坑，人们称之为微点蚀.

微点蚀是在混合润滑或干摩擦条件下由于两接触面微凸体发生直接接触从而在周期性循环应力作用下产生的表层材料剥落[7-9].微点蚀一般萌生于十分接近表面的位置(约十微米级甚至更浅)，其尺寸为十几到几十微米量级.单一微点蚀难以用肉眼识别，但许多微点蚀坑聚集在一起，会呈现灰色的磨痕形态.微点蚀作为轴承和齿轮等部件服役于滚动接触疲劳工况下的典型早期损伤，受到了摩擦学领域人员的高度重视.Vrček等[10]研究了摩擦副硬度差对微点蚀的影响，采用双辊接触疲劳试验机，在边界润滑条件下试验，结果表明微点蚀与磨损存在竞争关系，当摩擦副硬度相当时，微点蚀较为严重.Moorthy等[1]采用球盘形式研究滚动接触疲劳过程中有无涂层对微点蚀及微裂纹的萌生及扩展的影响，当试样表面有涂层时，涂层会填满表面机加工产生的凹凸峰，微点蚀在表面凹口处萌生和扩展，结果表明表面合适的涂层可以显著减少微点蚀的产生.Ueda等[11]研究了摩擦对微点蚀的影响，采用球盘试验机，在含有不同浓度的油中通过改变摩擦力进行试验，结果表明随着摩擦周次的增加，微点蚀的数量也慢慢增加；摩擦对微点蚀有非常显著的影响，当摩擦系数从0.1降到0.04时，微点蚀的产生程度降低了10倍；较低的摩擦力产生较少的微点蚀；摩擦影响微点蚀的主要机制是通过对试样表面应力的影响，减少摩擦就减少了近表面微凸体的局部拉应力和剪应力，从而减少裂纹的萌生和扩展.可见，已有研究对微点蚀的研究不够深入，鲜有材料组织结构的影响研究.针对微点蚀的演化过程研究较少，材料试验中的微点蚀与台架试验中的对应关系未见研究，微点蚀的形成机制还未明确.

随着冶金技术的发展，稀土在轴承钢中广泛应用，我国稀土资源十分丰富，工业储量占世界第一位[12-14].在钢中加入稀土一直是研究GCr15轴承钢的热门方向.在钢中加入稀土元素，起到了净化钢液、微合金化和变质夹杂物的作用[15-17].Yue等[18]研究了稀土对钢中夹杂物的影响，结果表明，稀土改变了钢中夹杂物的类型和形态，减少了夹杂物并且降低了点蚀速率，经稀土改性后，钢的耐点蚀性显著提高.Gao等[19]研究了稀土对钢组织的影响，在钢中加入不同含量的稀土，结果表明，稀土可以显著细化晶粒尺寸，钢在铸造状态时的尺寸由50 μm减小至25 μm，冲击韧性显著提高.目前，有关在钢中加入稀土的研究更多关注的是稀土对钢中的夹杂物及力学性能的影响，对钢中微点蚀行为的影响研究较少.

本文中在油润滑的条件下，采用球棒式滚动接触疲劳试验机，开展了稀土/普通 GCr15轴承钢与 Si3N4陶瓷球的滚动接触疲劳试验.经过不同周次试验后，对试验轴承钢棒磨痕表面微点蚀的分布、大小及深度进行表征分析，探讨稀土的添加对GCr15轴承钢滚动接触疲劳中微点蚀行为的影响.同时，除了材料级的球棒接触疲劳试验，本文中还进行了轴承的台架试验，并对试验后轴承套圈表面的微点蚀的分布、大小及深度相应的进行研究.综合材料级球棒试验和部件级轴承台架试验结果，探讨微点蚀的形成机制及与材料组织结构的关系.

1 试验方法及材料

1.1 试验方法

为模拟实际轴承的服役工况，本试验在 MJP-15球棒式滚动接触疲劳试验机上进行，图1所示为试验原理的示意图.3个成120°分布的Φ12.7 mm陶瓷球在上下锥环的靠近加载下，与中心Φ12 mm的轴承钢棒形成点接触.试验时，中心轴承钢棒试样在电机的带动下高速旋转，陶瓷球在中心轴承钢棒的带动下，做围绕轴承钢棒的公转和自转，两者间产生滚/滑动接触.

Fig.1 Experimental schematic diagram图1 试验原理图

润滑油通过油泵，由油箱经过进油口泵进入油盒的底部，从油盒的上部回到油箱，对陶瓷球与轴承钢的滚动接触进行润滑.振动传感器安装在油盒的外部，实时监测记录系统的振动，当振动超过设定的阈值时，试验自动停止.

球棒试验采用砝码加载，根据轴承参数及实际工况，试验载荷固定为25 N，计算可得应力为5 GPa，轴承钢棒的转速为 5 000 r/min，滚动体为 Si3N4陶瓷球(每次试验更换新球)，润滑油为飞马Ⅱ号.本文中重点考察不同材料和滚动周次下微点蚀损伤行为，分别进行了20 000、80 000、320 000和640 000周次的试验，以上周次均远未达到轴承钢发生疲劳剥落的周次.

本试验中采用的轴承台架试验机为悬臂结构，单个7008被试轴承内圈过盈安装于工装轴上，轴承外圈与轴承座之间间隙配合.轴承内圈在电主轴驱动下高速旋转，转速为10 000 r/min.轴向和径向载荷分别通过步进电机加载于轴承工装和轴承外圈上，轴向和径向载荷分别为2.2和3.5 kN.采用32#耐磨液压油对轴承进行喷油润滑，润滑油经强制风冷后温度稳定在48 ℃左右.轴承台架试验过程中对轴承外圈温度和振动进行采集与检测，主要以轴承径向振动值作为轴承疲劳失效判据.所有被试轴承均未失效，振动未超标，轴承拆解也未发现肉眼可见的疲劳剥落坑.

试验前后均采用酒精超声清洗试样5 min并烘干.用哈量2206B型轮廓仪测量试样的表面粗糙度，采用宏观洛氏硬度计测量轴承钢棒试样硬度，用基恩士VHX-6000超景深三维显微镜、白光干涉仪和INSPECTF50场发射扫描电镜(SEM)等设备对轴承钢棒试样磨痕表面及截面形貌进行分析，探讨微点蚀形成机制.

1.2 试验材料

本试验中所用轴承钢棒试样材料为稀土GCr15轴承钢(RE GCr15)和普通GCr15轴承钢(0RE GCr15)，其化学成分列于表1中，试验前轴承钢棒的表面形貌照片如图2所示.球试样为Si3N4陶瓷球，采用热等静压工艺制备，尺寸精度等级为G5.

表1 稀土/普通GCr15 轴承钢化学成分[20]Table 1 Chemical composition of RE GCr15/0RE GCr15

Fig.2 Optical micrograph of surface morphology of samples before the test:(a) RE GCr15;(b) 0RE GCr15图2 试验前样品在光学显微镜下的表面形貌照片：(a) RE GCr15；(b) 0RE GCr15

稀土GCr15轴承钢和普通GCr15轴承钢采用相同的热处理工艺：先在1.5 h内升温至740 ℃然后保温2 h，接着在0.5 h内继续升温至840 ℃并保温0.5 h，随后在80 ℃油中淬火1 h，再在-80 ℃环境中深冷2 h，最后210 ℃下保温3 h，其中深冷处理是为了降低钢中残余奥氏体的含量.用洛氏硬度计测量轴承钢棒试样的硬度，4次测试结果及平均值列于表2中，可以看出稀土/普通GCr15轴承钢硬度相当.采用接触式轮廓仪测得2种轴承钢棒试样圆周表面的粗糙度Ra值均为0.2 μm左右.将热处理后的轴承钢棒试样抛光后经4%(体积分数)的硝酸酒精溶液腐蚀，用场发射扫描电镜观察其组织形态的形貌.

表2 稀土/普通GCr15 轴承钢宏观洛氏硬度(HRC)Table 2 Macroscopic Rockwell hardness of RE GCr15/0RE GCr15

2 试验结果

2.1 不同周次下的振动曲线

图3所示为稀土/普通 GCr15轴承钢不同周次滚动接触疲劳试验测得的振动曲线，横坐标是时间，纵坐标是振动传感器输出的电压信号，数值的大小反应振动加速度的大小.振动曲线可以实时监测试验过程中氮化硅陶瓷球与GCr15轴承钢棒之间产生的振动.从图3中可以清晰地看出，随着周次的增加，稀土GCr15轴承钢的振动值始终小于普通GCr15轴承钢的振动值，尤其在320 000周次时最明显.有研究指出，微点蚀的出现及数量可能是导致轴承振动加剧的原因，这预示着不同周次下，稀土GCr15轴承钢的微点蚀数量少于普通GCr15轴承钢.

Fig.3 Vibration curves of RE GCr15/0RE GCr15 during different contact cycles tests图3 稀土/普通GCr15 轴承钢不同周次试验的振动曲线

2.2 不同周次下的微点蚀形貌

稀土/普通 GCr15轴承钢经不同周次滚动接触疲劳试验后磨痕表面形貌的光学显微镜照片如图4所示.

Fig.4 Optical micrographs of the surface morphology of wear marks on RE GCr15/0RE GCr15 after rolling contact fatigue test at different cycles图4 稀土/普通GCr15 轴承钢经不同周次滚动接触疲劳试验后磨痕表面形貌的光学显微镜照片

与图2中的原始形貌照片对比可知，在轴承钢棒的磨痕中，所有周次滚动接触疲劳试验后均可清晰地观察到微点蚀，如图4中方框内所示.值得注意的是，普通 GCr15轴承钢中存在成片微点蚀，而稀土 GCr15轴承钢并没有出现此现象.

试验后，随机选取磨痕内20个不同位置，放大500倍后，用VHX-6 000超景深三维显微镜对其形貌进行表征分析，对形貌照片中的微点蚀数量进行统计，其中成片的微点蚀作为1个微点蚀进行统计，结果列于表3中.可以看出，不管是稀土GCr15轴承钢还是普通GCr15轴承钢，微点蚀的数量随着滚动接触疲劳试验循环周次的增加而增加.同样循环周次下，尽管普通GCr15轴承钢中成片的微点蚀作为1个微点蚀进行统计，稀土GCr15轴承钢的微点蚀数量相对普通GCr15轴承钢还是较少.

表3 不同周次试验后磨痕中微点蚀数量统计Table 3 Statistics of micro pitting in wear marks after different contact cycles tests

2.3 微点蚀三维形貌(形状与深度)

图5所示为选取的1处典型的稀土/普通GCr15轴承钢的微点蚀三维形貌照片.稀土GCr15轴承钢磨痕中的微点蚀形状偏圆形，而普通GCr15轴承钢磨痕中的微点蚀偏椭圆形，部分微点蚀形状为棱角形.其产生的原因可能与碳化物的尺寸及分布相关.

滚动接触疲劳试验后，在每个周次下的磨痕中随机选取4个微点蚀，用白光干涉仪测出微点蚀的深度，分类统计结果如图6所示(P表示磨痕中不同深度范围内的微点蚀数量百分比).稀土GCr15轴承钢中微点蚀深度多集中于0～0.7 μm，普通GCr15轴承钢中微点蚀深度则多集中于0.7～1.4 μm；在本次统计中，普通钢中微点蚀深度最高可达2 μm，而稀土钢中微点蚀深度最高可达1.4 μm，表明稀土GCr15轴承钢中的微点蚀深度更小.

Fig.6 Number percentage of micro pittings in different depth ranges of wear marks of rare earth/common GCr15 bearing steel图6 稀土/普通GCr15轴承钢磨痕中不同深度范围内微点蚀的数量百分比

2.4 台架试验

本文中采用MJP-15球棒式接触疲劳试验机模拟轴承中滚动体与滚道之间的滚动接触疲劳，为了验证材料级的球棒试验得到的微点蚀与实际工程服役轴承的对应性，选用实际轴承在台架上进一步开展试验.

台架试验选用7008角接触球轴承(包括稀土轴承和普通轴承)，试验后内外滚道均以微点蚀为主.图7所示为球棒试验和台架试验的微点蚀对比.图7(a)所示为稀土GCr15轴承钢在球棒试验机上的微点蚀，图7(d)所示为稀土GCr15轴承钢在台架试验机上的微点蚀，两者的表面形貌很相似，都是类似圆形的微点蚀，而且微点蚀中的碳化物大小相同且分布较均匀；图7(b)和(e)分别是普通GCr15轴承钢在球棒试验机和台架试验机上微点蚀的形貌照片，从形貌照片可以看出，在微点蚀边缘都有凸起，且二者形貌相似，是由普通GCr15轴承钢表面塑性变形引起的；图7(c)和(f)也是普通GCr15轴承钢的微点蚀形貌照片，普通GCr15轴承钢的磨痕表面都会产生成片的微点蚀.

综上，不管是稀土GCr15轴承钢还是普通GCr15轴承钢，材料级的球棒试验和部件级的台架试验均产生类似形貌的微点蚀.说明球棒试验可以充分模拟滚动体与滚道之间滚动接触疲劳的摩擦工况，在研究轴承钢的性能时具有重要的参考价值.

3 分析与讨论

3.1 组织对微点蚀的影响

众所周知，GCr15轴承钢的化学成分、夹杂物的含量、碳化物大小及分布等在所有钢中要求最严格，这些参数在很大程度上决定了轴承的性能.在相同热处工艺下，硬度测试(表2)已经表明，稀土GCr15轴承钢和普通GCr15轴承钢的硬度相差不大.因此考虑从材料组织结构的角度出发，研究2种轴承钢微点蚀差异的原因.

图8所示为扫描电镜观察的稀土/普通GCr15轴承钢的显微组织照片.可见，不管是稀土GCr15轴承钢还是普通GCr15轴承钢的组织都主要以马氏体和碳化物为主.2种轴承钢对比可知，稀土GCr15轴承钢中的碳化物尺寸更小，形状更圆，分布更均匀；而普通GCr15轴承钢中出现网状碳化物和液析碳化物.在热轧和冷却过程中，由于普通GCr15轴承钢中的碳在奥氏体中的溶解度降低，过饱和的碳以碳化物的形式从奥氏体中沿晶界呈网状析出，形成网状碳化物.网状碳化物增加了GCr15轴承钢的脆性，降低了强度.轴承在服役过程中，在碳化物聚集[图8(b)中网状碳化物]的位置容易萌生裂纹和扩展，产生微点蚀.这是普通GCr15轴承钢产生更多更深微点蚀的原因之一.

Fig.8 SEM micrographs of microstructure of RE GCr15/0RE GCr15图8 稀土/普通GCr15轴承钢显微组织的SEM照片

图8(b)中的液析碳化物是在钢液凝固时，由于液体中碳和合金元素富集产生亚稳定共晶碳化物，在钢中产生液析碳化物对组织不均匀和性能有明显的影响.主要是因为液析碳化物颗粒较大、脆性大、硬度高且暴露在轴承钢表面，呈条状分布，增大了其在服役过程中的开裂现象，加快轴承磨损，最终产生微点蚀，长时间会导致表面产生剥落现象.本文中在普通GCr15轴承钢中加入稀土，从显微组织照片中可以看出，稀土的加入不仅消除了碳化物液析的现象，而且避免了网状碳化物的形成.

用VHX-6000超景深三维显微镜观察稀土/普通GCr15轴承钢的显微组织，如图9所示，发现普通GCr15轴承钢偏析较为严重.碳化物本身作为钢中组织的硬脆相，试验中容易在内部产生高应力，从而导致应力集中，当应力过高时在碳化物处引起破裂形成裂纹.普通GCr15轴承钢由于碳化物严重偏析，此时碳化物破裂产生的微裂纹在应力集中处连接时就发展成为裂纹的源头；另外碳化物的膨胀系数和基体不同，破坏了碳化物与基体之间的连续性，当进行试验时，在循环应力的作用下，碳化物与基体之间产生摩擦并不断挤压，降低了碳化物与基体的结合能力，碳化物与基体脱离，形成微点蚀.

Fig.9 Optical micrographs of microstructure of RE GCr15/0RE GCr15图9 稀土/普通GCr15轴承钢的显微组织的光学显微镜照片

3.2 微点蚀的形成机制

微点蚀是很多轴承零部件的失效模式之一，而微点蚀的产生跟碳化物的剥落和表面微凸体级别的损伤有关.

轴承钢在服役过程中，碳化物在材料内部所承受的应力大小与碳化物的分布均匀程度有关，碳化物聚集的周围应力更大，在交变应力的作用下利于萌生和扩展微裂纹，从而更容易产生微点蚀.在普通GCr15轴承钢中加入稀土，轴承钢中的碳化物分布更均匀，而普通GCr15轴承钢中的碳化物分布不均匀且大部分呈长条形.从微点蚀放大照片可以看出，稀土GCr15轴承钢产生的微点蚀为圆形，而普通GCr15轴承钢中的微点蚀多为尖角形.在滚动接触疲劳试验中，长条形分布的碳化物作为硬质点，相较于均匀分布的碳化物更容易萌生裂纹，导致普通GCr15钢的微点蚀成片剥落.

试验后，平行于磨痕并沿着磨痕的边缘进行切割，将截面进行磨抛后用扫描电镜观察形貌，如图10所示.棒试样转动的方向(Rolling direction,RD)如图10中箭头所示，从微点蚀的截面照片可以发现，稀土GCr15轴承钢的微点蚀底部较圆滑，而普通GCr15轴承钢的单个微点蚀呈尖角形，而截面的上方凹凸不平，这是由于普通GCr15轴承钢中的碳化物尺寸较大且分布不均匀(图8)，在滚动接触疲劳过程中由于应力集中，在碳化物聚集的地方易于产生微裂纹，在图10(c)和(d)中可见很多深度为几微米的亚表层裂纹.这些因素共同导致由于碳化物在组织中分布不均引起的碳化物聚集形成的成片微点蚀.

众所周知，滚动接触疲劳试验是评价轴承材料在高接触应力和高转速下使用寿命的关键因素，滚动接触疲劳失效是由表面产生剥落引起的，而剥落坑早期的形成机制是大大小小的微点蚀成片出现导致轴承失效.微点蚀的形成分为表面启裂和亚表层启裂2种类型.表面启裂的微点蚀一般受接触应力、表面粗糙度及油膜厚度的影响较大.亚表层启裂引发的微点蚀是由接触时产生的循环剪切应力引起的，常常出现在应力集中处.

从图10中清晰可见普通GCr15轴承钢表面产生成片的微点蚀，在成片微点蚀下还发现了3处亚表层裂纹[图10(c)和(d)]，这是产生更多微点蚀的主要原因.亚表层裂纹距表面2 μm左右[图10(c)和(d)]，并且裂纹向表面扩展.随着试验的进行，微裂纹慢慢扩展到磨痕表面，产生更深更大的微点蚀，当微点蚀扩展到一定程度，就会形成剥落坑，此时轴承失效.

已有对滚动接触疲劳的有限元分析中，大部分都是针对非金属夹杂物的模拟，Guan等[21]采用有限元法研究了轴承钢中含有非金属夹杂物的裂纹萌生及扩展，在有限元模型上通过动态的方法与赫兹接触理论相结合，计算微区域的Von mises 应力分布，结果表明，最大应力出现在非金属夹杂物附近从而导致裂纹的萌生和扩展.众多研究中，关于微点蚀的有限元模拟较少.

本文中利用Hertz接触理论计算说明微点蚀的形成机制.假设在边界润滑下(油膜参数λ＜1，油膜厚度小于微凸体高度和碳化物突出的高度，微凸体和碳化物可与Si3N4陶瓷球直接接触，微凸体按半圆柱计算，设定半径r为0.5～2 μm，圆柱高度L为4 μm，载荷假设为0.4 N.计算所得表层微凸体内Hertz接触应力分布如图11所示.最大剪切应力出现的位置距表面深度1 μm左右，应力值为12～25 GPa，特别注意的是，以上远高于GCr15轴承钢剪切强度(1 GPa左右)的应力值是由仿真模型的微凸体尺寸小以及载荷是假设值所导致的，不一定是真实的应力值.最大剪应力集中区域裂纹易于萌生，在小尺度微凸体断裂过程中，裂纹的萌生起主导作用.

Fig.11 Shear stress distribution resulted from the asperity contact图11 微凸体接触的剪应力分布

试验用Si3N4陶瓷球和GCr15轴承钢的圆棒从宏观上看，表面均光滑平整，但在显微镜下观察时，表面却呈现许多不规则的凸峰和凹谷，由凸峰和凹谷组成的部分定义为微凸体.近似假设建立微凸体及碳化物接触模型，如图12所示.稀土/普通GCr15轴承钢的微凸体尺寸是类似的(粗糙度均为0.2 μm)，而2种钢中碳化物的分布是不同的，稀土GCr15轴承钢中的碳化物分布较均匀，产生的剪切应力也相对均匀，所以产生的微点蚀也较小较浅；而普通GCr15轴承钢中出现网状碳化物和严重的偏析现象，在试验过程中，微凸体及浅层的碳化物分布不均匀，又由于应力的作用，微凸体及碳化物不断与陶瓷滚动体摩擦，导致最大剪应力集中，在微凸体及碳化物下面产生微裂纹(试验中)，随着试验的进行，微裂纹慢慢扩展，当试验停止时，微凸体及碳化物脱落形成微点蚀，此时的微点蚀也较深，并且容易成片剥落.