【新刊速覽】李波：高氮不銹軸承鋼組織表征與滾動接觸疲勞失效機制
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高氮不銹軸承鋼組織表征與滾動接觸疲勞失效機制
李波
1
，史智越
2,3
，徐海峰
3
，胡忠會
1
，賈忠寧
1
，俞峰
3
，
王存宇
3
，曹文全
3
（1.中國航空工業(yè)集團有限公司第一飛機設(shè)計研究院， 陜西西安 710089；2.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西太原 030051； 3.鋼鐵研究總院有限公司特殊鋼研究院， 北京 100081）
高氮不銹軸承鋼作為第三代軸承鋼材料，被廣泛應(yīng)用于航天飛機燃料泵軸承、飛機發(fā)動機主軸軸承等領(lǐng)域，現(xiàn)已經(jīng)成為航空航天關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。而國內(nèi)關(guān)于高氮不銹軸承鋼滾動接觸疲勞性能研究幾乎空白，因此對加壓電渣冶煉工藝制備的高氮不銹軸承鋼采用不同回火溫度熱處理，進(jìn)行力學(xué)性能測試、微觀結(jié)構(gòu)表征和滾動接觸疲勞性能測試。結(jié)果表明，試驗鋼
1 030 ℃
淬火
+180 ℃
回火熱處理工藝抗拉強度為
1 899.7 MPa
、硬度為
60.7HRC
，
500 ℃
回火后硬度與
180 ℃
相當(dāng)，抗拉強度提升至
2 213.5 MPa
；通過對
500 ℃
高溫回火試樣基體表征，發(fā)現(xiàn)基體內(nèi)納米級
Cr
-
N
第二相析出是二次硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。
180 ℃
回火試樣滾動接觸疲勞壽命
L
10
為
1.67×10
7
，
500 ℃
回火試樣
L
10
為
2.85×10
7
，提高了
70%
；通過對
2
組試樣疲勞剝落坑深入表征，發(fā)現(xiàn)
180 ℃
回火試樣次表層沿晶斷裂是引起滾動接觸疲勞失效的主要原因；結(jié)合基體殘余應(yīng)力測量結(jié)果分析，
500 ℃
高溫回火殘余拉應(yīng)力為
41 MPa
，低于
180 ℃
回火的
101 MPa
。高溫回火基體內(nèi)析出的納米級
Cr
-
N
第二相可以降低位錯的運動能力，同時減弱了基體內(nèi)部應(yīng)力集中，使得滾道次表層沿晶斷裂傾向減小，滾動接觸疲勞壽命顯著提高。對高氮不銹軸承鋼不同回火工藝微觀組織結(jié)構(gòu)、滾動接觸疲勞性能、裂紋萌生機制進(jìn)行了深入研究分析，為高氮不銹軸承鋼熱處理工藝制定、抗疲勞機制研究以及材料研發(fā)應(yīng)用提供試驗與理論基礎(chǔ)。
高氮不銹軸承鋼；
微觀結(jié)構(gòu)；
滾動接觸疲勞；
疲勞剝落；
疲勞裂紋萌生
軸承作為制造領(lǐng)域關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件，始終發(fā)揮著重要的作用。隨著軌道交通、航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，超長壽命、超高可靠性、耐高溫、耐腐蝕軸承需求日益劇增，這也對軸承鋼綜合力學(xué)性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。根據(jù)軸承鋼的研發(fā)時間以及服役環(huán)境要求，軸承鋼歷經(jīng)3代發(fā)展：第1代軸承鋼以常溫條件下使用的GCr15高碳高鉻軸承鋼和G20滲碳軸承鋼為代表；第2代軸承鋼以中溫條件下使用的M50和M50NiL為代表；第3代軸承鋼以高溫、腐蝕條件下使用的CSS-42L和高氮不銹軸承鋼Cronidur30為代表。
高氮不銹軸承鋼作為第3代軸承材料，憑借其長壽命、高可靠性和優(yōu)良的耐蝕性成為新型軸承材料研發(fā)焦點。傳統(tǒng)不銹軸承鋼主要有9Cr18、9Cr18Mo和7Cr17等牌號，基體中較高的C、Cr含量使熱處理后硬度可達(dá)60HRC以上，但是這類不銹軸承鋼基體中容易出現(xiàn)大塊共晶碳化物，降低材料的耐蝕性與滾動接觸疲勞性能。為了改善傳統(tǒng)不銹軸承鋼耐蝕與疲勞性能不足問題，德國FAG公司基于“降碳增氮”原則開發(fā)出新型高氮不銹軸承鋼Cronidur30，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.3%C-0.3%N-15%Cr-1%Mo。高氮不銹軸承鋼中氮元素的加入，會顯著改善基體組織、大幅細(xì)化基體組織和第二相，顯著改善耐蝕與滾動疲勞性能。TROJAHN W等對比研究了Crondiur30、M50和GCr15材料滾動接觸疲勞壽命和耐蝕性能，結(jié)果表明Crondiur30滾動接觸疲勞壽命大約是M50的2倍、GCr15的4倍，耐鹽霧腐蝕性能遠(yuǎn)高于9Cr18Mo軸承鋼。
軸承在服役過程中會受到長期交變載荷和極高的接觸應(yīng)力，因此要求軸承鋼除了滿足高強高硬外，還需要具備優(yōu)良的抗疲勞性能。統(tǒng)計表明，軸承在服役過程中疲勞剝落是最容易發(fā)生的失效形式。而滾動接觸疲勞試驗是最接近軸承服役狀態(tài)測試方法，也是評價軸承鋼疲勞性能的重要手段。“推力片接觸疲勞”試驗方法是常用的滾動接觸疲勞測試結(jié)構(gòu)之一，是將待測材料制備成環(huán)狀試樣，放置于測試設(shè)備下方固定，并在其上方施加鋼球加以旋轉(zhuǎn)，模擬軸承實際運行工況。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，滾動接觸疲勞失效通常伴隨著裂紋的萌生、擴展和斷裂3個階段，而影響其疲勞性能的因素主要有冶金質(zhì)量和基體組織兩個方面。O、S、Ti是軸承鋼中主要的雜質(zhì)元素，其含量通常與軸承鋼滾動接觸疲勞壽命呈負(fù)相關(guān)，BIRAT J P等發(fā)現(xiàn)鋼中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)每降低0.000 5%，接觸疲勞壽命會提高至原來的2倍； CAO Z X等發(fā)現(xiàn)由雙真空工藝（VIM+VAR）制備的GCr15軸承鋼中O、Ti含量大幅降低，其疲勞壽命大約是真空脫氣工藝（BOF+LF+RH）的4倍?；w組織也是影響軸承鋼疲勞性能的關(guān)鍵因素，基體中碳化物、晶粒度、殘余應(yīng)力等同樣會影響疲勞裂紋的萌生與擴展， LEE K O等對比研究了不同晶粒尺寸和碳化物尺寸的GCr15軸承鋼，發(fā)現(xiàn)更加細(xì)小的晶粒和碳化物可以使疲勞壽命大幅提升。此外在滾動接觸疲勞加載過程中，試樣內(nèi)部基體微觀組織會發(fā)生3個階段演變：疲勞早期階段出現(xiàn)的納米晶粒白蝕區(qū)（white etching area，WEA）；疲勞中期階段出現(xiàn)的由馬氏體退化引起的暗蝕區(qū)（dark etching regions，DER）；疲勞末期出現(xiàn)的白蝕帶（white etching bands，WEB）。
由于國內(nèi)高氮不銹軸承鋼科研生產(chǎn)起步較晚，相關(guān)滾動接觸疲勞性能研究滯后。因此，本文以高氮不銹軸承鋼作為研究對象，采用不同熱處理工藝進(jìn)行組織調(diào)控，對其強韌性力學(xué)性能、基體組織、滾動接觸疲勞壽命進(jìn)行試驗測試表征。并對滾動接觸疲勞失效試樣詳細(xì)表征，分析引起滾動接觸疲勞失效原因，探討疲勞裂紋萌生機制及影響因素，為高氮不銹軸承鋼組織調(diào)控和長壽命研究提供試驗與理論指導(dǎo)。
1）試驗鋼1 030 ℃淬火+180 ℃回火熱處理工藝抗拉強度為1 899.7 MPa，500 ℃回火抗拉強度為2 213.5 MPa；180 ℃和500 ℃回火基體硬度均為60HRC以上；通過對基體組織表征，高低溫回火基體組織均由馬氏體和顆粒狀碳氮化物構(gòu)成，高溫回火二次硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因是基體內(nèi)納米級Cr-N第二相的析出。
2）試驗鋼180 ℃回火滾動接觸疲勞壽命
L
10
為1.67×10
7
，500 ℃回火試樣L
10
為2.85×10
7
，較180 ℃提高了70%。通過對180 ℃回火試樣疲勞剝落坑解剖分析表征，次表層沿晶斷裂是引起滾動接觸疲勞失效的主要原因，而500 ℃回火試樣并沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。
3）通過對180
℃和500 ℃回火試樣殘余應(yīng)力測試，并結(jié)合基體組織與疲勞剝落坑表征分析，表明高溫回火基體內(nèi)析出的納米級Cr-N第二相可以降低位錯的運動能力，同時減弱基體內(nèi)部晶界處應(yīng)力集中，使得滾道次表層沿晶斷裂傾向減小，滾動接觸疲勞壽命顯著提高。
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