【摘 要】
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由于精密轴承长期受到交变载荷的作用,其表面产生的失效主要为基于表面损伤的磨损失效、接触疲劳失效和腐蚀失效。因此通过表面改性技术提高轴承材料的抗表面损伤能力对于提高轴承的使用寿命具有极大的工程应用价值。超声技术的出现极大促进了表面机械改性技术的发展。超声表面滚压加工结合了剧烈塑性变形技术与滚压技术的优势,解决了轴承材料在传统表面强化技术中存在的粗糙度高、应力变形严重和应力集中的短板,具有传统表面强化
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（No.52001187）； 新旧动能转换重大工程课题攻关项目（No.2021-03-3）；
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由于精密轴承长期受到交变载荷的作用,其表面产生的失效主要为基于表面损伤的磨损失效、接触疲劳失效和腐蚀失效。因此通过表面改性技术提高轴承材料的抗表面损伤能力对于提高轴承的使用寿命具有极大的工程应用价值。超声技术的出现极大促进了表面机械改性技术的发展。超声表面滚压加工结合了剧烈塑性变形技术与滚压技术的优势,解决了轴承材料在传统表面强化技术中存在的粗糙度高、应力变形严重和应力集中的短板,具有传统表面强化处理无法比拟的优势,拥有广阔的应用前景。本文就超声表面滚压工艺（USRP）对GCr15轴承钢残余应力分布、表面完整性、耐腐蚀性能和耐磨损性能的影响进行分析。本文以淬火+回火的GCr15轴承钢为研究对象,基于赫兹接触力学理论和金属弹塑性理论,通过有限元仿真分析和超声表面滚压工艺（USRP）试验等手段,研究了USRP强化的加工机理和不同超声表面滚压工艺参数（静载力、进给速度、超声振幅、转速和多道次超声滚压）对残余应力场和等效塑性应变梯度分布规律;详细研究了超声表面滚压工艺参数对GCr15表面完整性、耐腐蚀性能和耐磨损性能的影响规律及性能强化机理。基于赫兹接触理论和超声表面滚压加工原理,通过Abaqus有限元软件建立GCr15轴承钢超声表面滚压三维模型,选用Johnson-Cook本构方程,对超声表面滚压过程进行仿真,研究不同超声表面滚压工艺参数（静载力、进给速度、超声振幅、转速和多道次超声表面滚压）对残余应力场和等效塑性应变沿深度方向的分布规律。结果表明:残余压应力的最大值出现在材料的次表层,随着静载力、振幅和滚压道次的增加,残余压压应力也随之增大;但随着转速和进给速度的增加,残余压应力反而降低。将盲孔法表面残余应力的检测结果与仿真模拟结果进行对比验证,误差值小于6.7%,确保了仿真模拟结果的准确性和结果推论分析的科学性。基于USRP试验,以表面粗糙度为评价指标设计正交试验,通过极差分析法确定工艺参数（静载力、进给速度和转速）对表面粗糙度影响的优劣顺序。设计了工艺参数的单因素USRP试验,研究了静载力、进给速度、转速、振幅和多道次超声滚压对于残余压应力、表面粗糙度和表层显微硬度的影响。系统研究了多道次超声表面滚压工艺对GCr15的微观组织结构的影响及其强化机理。结果表明:影响表面粗糙度高低的优劣顺序为:进给速度＞静载力＞转速。残余压应力与静压力、振幅和滚压道次成正比,与进给速度和转速成反比,表层显微硬度与表层晶粒细化相关,晶粒越细小,显微硬度值越大。最后通过电化学腐蚀试验和往复式摩擦磨损试验分析了不同超声滚压参数对GCr15耐腐蚀性能和耐磨损性能的影响规律和磨损机理。结果表明,USRP后,材料的自腐蚀电位均明显向正电位偏移,腐蚀倾向变小,材料的自腐蚀电流密度降低了 88%-97%,说明USRP对提高GCr15轴承钢表面耐腐蚀性能有着积极作用。USRP后耐磨损性能有了显著提高,材料的磨损机制从黏着磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损,摩擦系数、磨痕深度和宽度均明显减小,磨损量分别降低了 20%和30%。
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