分享：增加回火工序对 GCr15轴承钢套圈变形的影响

王一博1,李淑欣1,舒建明2,陈银军2 

(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) 

摘 要:在 GCr15轴承钢套圈原制造工艺(原材料锻造→退火→车削加工→淬火→回火→磨削 →装配)磨削后增加一次回火工序(150 ℃×2h回火+超精研磨),对比研究了增加回火工序前后 轴承套圈的显微组织、残余应力和圆度,分析了增加回火工序对其变形的影响。结果表明:增加回 火工序后,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,相比于原工艺, 细小碳化物颗粒数量增多,残余奥氏体含量减少;增加回火工序后,轴承套圈内外表面圆度分别减 小了80%和60%,变形明显减小;增加回火工序后,套圈中的残余应力减小并趋于均匀分布,同时 细小碳化物的进一步析出抑制了应变诱导马氏体相变,因此轴承套圈的变形减小,尺寸稳定性增 强。 

关键词:轴承套圈;二次回火;变形;残余应力 中图分类号:TG162.71 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)11-0066-05 

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 66 王一博,等:增加回火工序对 GCr15轴承钢套圈变形的影响 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℃×2h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 ℃×2h)和超精研磨过程。 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 图1 GCr15轴承钢套圈的尺寸 Fig 1 SizeofGCr15bearingsteelring 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× 8mm×6mm 的块状试样,采用 D8Discover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 PROTOXiXRD 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 25kV 和 5mA。采 用 RA-2200AS 型 台 式 圆 度 测 量 仪 的 0.25mm 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 HV1000型显微硬度计测试硬度,载荷为0.15N,保载 时间为15s。

 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。 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1μm,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 0.3~0.6μm,且尺寸在 0.3~ 0.4μm 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0.4~0.7μm,且尺寸在 0.5~0.6μm 的碳化物颗粒数量最多,此外尺寸在 0~0.3μm 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]。 67 王一博,等:增加回火工序对 GCr15轴承钢套圈变形的影响 图2 增加回火工序前后轴承套圈的SEM 形貌 Fig 2 SEMimagesofbearingringbefore a andafter b addingtemperingprocess 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 Sizedistributionofcarbideparticlesinbearingringstructure beforeandafteraddingtemperingprocess 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 图4 增加回火工序前后轴承套圈外表面的 XRD谱 Fig 4 XRDpatternsofoutersurfaceofbearingringbefore a and after b addingtemperingprocess 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 Table1 Retainedaustenitecontentofoutersurfaceofbearing ringbeforeandafteraddingtemperingprocess 工艺 残余奥氏体体积分数/% 点 A 点 B 点 C 点 D 平均值 增加回火工序前 5.81 7.36 4.41 4.95 5.63 增加回火工序后 3.92 4.17 1.95 2.92 3.24 后的残余奥氏体也会变得越稳定[26]。 

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 Table2 Residualstressesonoutersurfaceofbearing ringbeforeandafteraddingtemperingprocess 工艺 残余应力/MPa 点 A 点 B 点 C 点 D 68 王一博,等:增加回火工序对 GCr15轴承钢套圈变形的影响 增加回火工序前 -122.89 337.49 -148.24 323.65 增加回火工序后 -91.44 -87.21 -90.90 -85.55

 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8.737,16.973μm,增加回火工序后分 别为1.574,6.766μm。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 Roundprofileofbearingringbefore a-b andafter c-d addingtemperingprocess a c innersurfaceand b d outersurface 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2h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。 增加 回 火 工 序 后,轴 承 套 圈 的 平 均 硬 度 为 732.7HV,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 ℃×2h 的回火工序,制造的轴承套圈组织仍主要由板条马 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 Residualstressandsizechangecurvesofoutersurfaceof bearingringsbeforeandafteraddingtemperingprocess 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 69 王一博,等:增加回火工序对 GCr15轴承钢套圈变形的影响 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。 

来源：材料与测试网