表面爆炸喷涂WC涂层对GCr15轴承钢抗疲劳性能的影响

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(1.三峡大学大学生素质教育中心(创新创业教育学院)，宜昌 443002； 2.武汉纺织大学机械工程与自动化学院，武汉 430200；3.宜昌长机科技有限责任公司，宜昌 443002)

0 引 言

轴承钢主要用于制造滚动轴承、轴承滚珠滚柱、轴承套圈以及其他轴承零部件等[1-2]，其失效形式主要包括静强度失效、摩擦磨损失效、疲劳失效等[3-5]，因此对轴承钢的耐磨性能、抗疲劳性能等提出了较高的要求。表面改性技术能够提高轴承钢的耐磨性能和抗疲劳性能。前期研究表明，表面改性对GCr15轴承钢的摩擦磨损性能和硬度有较大的改善[6-7]，但对其抗疲劳性能的影响还未进行充分的研究。表面状态对钢的抗疲劳性能有重要的影响[8-9]。王清远等[10]在研究等离子渗氮技术对马氏体时效钢和高碳铬轴承钢抗疲劳性能的影响时发现，等离子渗碳可显著提高马氏体时效钢的疲劳强度，但会降低高碳铬轴承钢的疲劳强度，而对于该现象产生的原因并未做相关的说明。针对上述问题，并结合前期所做的关于磁控溅射TiN镀层对GCr15轴承钢摩擦磨损性能的研究结果[6-7]，作者选择了对工件热损伤较小的爆炸喷涂技术[11]来进一步研究表面改性对轴承钢抗疲劳性能的影响机理，这可以为工程应用提供更多的试验数据。

爆炸喷涂技术已广泛应用于航空航天、石油化工、冶金等领域，其重要特点为对工件热损伤小。该技术采用脉冲式喷涂，工件每次受热气流冲击的时间短，氮气或压缩空气对工件起到冷却作用，使得爆炸喷涂时工件的温升控制在100 K以下，因而不会发生组织相变和变形。目前，国内爆炸喷涂中应用最广的为WC涂层[11]。因此，作者利用爆炸喷涂技术在GCr15高碳铬轴承钢表面制备WC涂层，研究该涂层对其抗疲劳性能的影响，并分析了爆炸喷涂对高碳铬轴承钢抗疲劳性能的影响机理。

1 试样制备与试验方法

试验材料为由某公司提供的GCr15轴承钢，测得其硬度为283 HV，抗拉强度为861.3 MPa ，屈服强度为540 MPa。按照GB/T 4337-2008，加工出20根疲劳试样，其形状与尺寸如图1所示。采用600#～1200#砂纸对试样及其变截面处进行逐级打磨。抛光后，将疲劳试样均分成两组。采用乌克兰“第聂泊”爆炸喷涂技术对其中一组试样变截面处喷涂一层厚度为0.05 mm的WC涂层，喷涂材料为WC-12%Co(质量分数)粉末，喷涂时O2、C2H2、N2的体积比为2.5∶2.0∶0.8[11]；另一组试样不做处理。

图1 疲劳试样的形状及尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue test sample

按照GB/T 4337—2008在四连式悬臂梁旋转弯曲疲劳试验机上进行疲劳试验，应力幅范围为200～550 MPa，应力比为-1，疲劳试验循环次数为102～107周次。试验结束后，采用JSM-7500型扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌。

为深入剖析爆炸喷涂对高碳铬轴承钢疲劳性能的微观影响机理，采用JX23B-D300型光学显微镜对喷涂试样进行组织观察。在喷涂试样上截取金相试样，采用800#～1200#砂纸进行逐级打磨、抛光，经体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀10 s后，在光学显微镜下观察试样的显微组织。在HXD-1000T显微维氏硬度计上测维氏硬度，载荷为0.98 N，保载时间为10 s。

2 试验结果与讨论

2.1 S-N曲线

由图2可知：当应力幅较高、疲劳寿命较低(小于105周次)时，喷涂与未喷涂试样的疲劳试验结果没有明显区别，这表明在此应力幅范围内，爆炸喷涂对试样的疲劳寿命基本没有影响;当应力幅较低、疲劳寿命较高(105～107周次)时，喷涂试样的疲劳强度低于未喷涂试样的，这表明此应力幅范围内，爆炸喷涂使试样的疲劳寿命缩短;当疲劳寿命为107周次时，试样均未断裂，此时的应力幅为疲劳极限，喷涂和未喷涂试样的疲劳极限分别为215,250 MPa。综上，爆炸喷涂使GCr15轴承钢的抗疲劳性能降低。

图2 未喷涂和喷涂试样的S-N曲线Fig.2 S-N curves of unsprayed and sprayed samples

2.2 显微组织和硬度

由图3可以看出：经爆炸喷涂处理后，WC涂层和轴承钢基体间的界线分明，存在边界层；边界层组织和基体组织没有明显区别，这表明爆炸喷涂未使GCr15轴承钢的组织发生改变。试验测得未喷涂和喷涂试样的维氏硬度分别为283 HV，355 HV，这表明经爆炸喷涂后试样表面的硬度增大。通常硬度的提高有利于促进其抗疲劳性能的增强[12]，因此爆炸喷涂所导致的硬度变化并不是GCr15轴承钢疲劳强度降低和寿命缩短的原因。

2.3 断口形貌

由图4可以发现：当疲劳寿命较低(103～105周次)时，喷涂试样和未喷涂试样均未表现出明显的疲劳断裂特征，主要为脆性断裂。这是由于这个阶段的应力幅较高，疲劳寿命中裂纹萌生阶段寿命所占的比例较小，因此断口中未见明显的疲劳裂纹源和裂纹扩展特征，而表现为脆性断裂特征。由此可知，爆炸喷涂对该阶段的疲劳寿命影响较小。

图3 经爆炸喷涂后试样的显微组织Fig.3 Microstructure of samples after explosion spraying: (a) boundary of material matrix and spraying layer and (b) inside material matrix

图4 疲劳寿命为 103～105周次时喷涂和未喷涂试样断口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of sprayed (a,b) and unsprayed (c,d) samples in the fatigue lives of 103-105 cycles

由图5可知:当疲劳寿命较高(105～107周次)时，喷涂和未喷涂试样断口均表现出明显的疲劳断裂特征，可以清楚地观察到疲劳裂纹源以及疲劳裂纹扩展路径，疲劳裂纹源均位于试样表面；喷涂试样断口处的涂层较疏松，且存在许多明显的孔状缺陷，裂纹源主要为这些孔状缺陷和界面附近试样中的细小夹杂物，有研究表明，这些夹杂物为非金属夹杂物[13-14]；未喷涂试样的裂纹源为试样表面因机械加工产生的微小划痕和表面夹杂物，同时还有部分裂纹起源于试样表面的晶体滑移带。

由以上试验结果可知，爆炸喷涂后轴承钢的抗疲劳性能降低，但是影响程度不大，分析其原因在于：爆炸喷涂WC涂层的致密性比轴承钢的差，涂层中存在许多孔状缺陷，而这些孔状缺陷在疲劳试验中容易引起应力集中，使得疲劳裂纹在此处萌生；同时，WC涂层的硬度比轴承钢的高，涂层与基体界面附近由于形变的不协调而导致应力集中，增加了在孔状缺陷或夹杂物处萌生疲劳裂纹的可能性。

综上可知，如果采用表面处理工艺来改善轴承钢的抗疲劳性能，该工艺需要具有以下特点：(1) 所采用的表面处理工艺对轴承钢表层组织和性能的影响较小；(2) 涂层能与轴承钢表层紧密地结合，同时还能够改善因机加工所产生的微小划痕；(3) 涂层的致密性、塑性和强度均优于轴承钢基体的。

3 结 论

(1) 当应力幅较高、疲劳寿命较低(小于105周次)时，喷涂与未喷涂轴承钢的疲劳试验结果没有明显区别；当应力幅较低，疲劳寿命较高(105～107周次)时，喷涂轴承钢的疲劳强度比未喷涂的低；喷涂和未喷涂轴承钢的疲劳极限分别为215，250 MPa；爆炸喷涂后GCr15轴承钢的疲劳寿命缩短、抗疲劳性能降低。

图5 疲劳寿命为 105～107时喷涂与未喷涂试样断口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of sprayed (a-d) and unsprayed (e-h) samples in the fatigue lives of 105-107 cycles: (a,c,e,g) overall morphology and (b,d,f,h) crack sources

(2) 未喷涂轴承钢的疲劳裂纹源为其表面因机械加工所产生的微小划痕、非金属夹杂物以及晶体滑移带；爆炸喷涂WC涂层后，轴承钢的疲劳裂纹源为WC涂层中的孔状缺陷和界面附近轴承钢中的非金属夹杂物。

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