气穴冲击和喷丸处理过的钢制辊子的滚动接触疲劳寿命

1、气穴冲击和喷丸处理过的钢制辊子的滚动接触疲劳寿命冈山大学研究生院 自然科学技术专业 东北大学 纳米力学系 新东工业株式会社 新产品开发中心摘要 本研究的目的是探讨喷丸对滚动接触（RCF）钢辊的疲劳寿命的影响。首先采用三种喷丸方式来对进行处理以保证被击打过的辊子的表面粗糙度相同。一种方式为使用注入压力30MPa的水的空化射流的气穴冲击（CP），其余方式分别是使用直径0.1mm粒子的微粒子喷丸(FPP)和使用直径0.3mm粒子的正常喷丸（NSP）。所用的这些喷丸方式均提高了钢制辊子表面的硬度以及表面残余应力。尤其是它们主要由微粒子喷丸（FPP）来提高。另外，由气穴冲击和正常喷丸形成的加工硬化深度大

2、于微粒子喷丸。滚动接触疲劳测试的结果显示所有的喷丸方式均对钢制辊子滚动接触寿命有所提高，正常喷丸（NSP）提高最多。从pmax - N curves and the A(y/ 3 HV)max - N曲线可以判断出微粒子喷丸对滚动接触寿命的提高很大程度上取决于表面的硬度，而气穴冲击和正常喷丸在表面粗糙度和硬度相同的情况下效果相当。从这些可以得出零件表面的处理方式应该根据滚动接触情况以及零部件失效形式来进行选择。关键字：滚动接触疲劳 气穴冲击 喷丸 微粒子喷丸 表面粗糙度 硬度 残余应力1简介 喷丸是一种在航天和汽车工业中广泛用来提高金属零部件疲劳寿命的表面处理方式。在喷丸中，材料表面被预先加到

3、高速的大量坚硬粒子所影响，造成被喷丸过的表面机械性能发生变化。特别是粒子直径小于0.2mm或0.15mmA弧高度的，被称为微粒子喷丸（FPP）。据报道微粒子喷丸除了提高疲劳强度还可以有效控制表面形貌（1），已经应用在机械零件的表面处理。另一方面不需要喷射粒子的气穴冲击（CP）也是一种表面处理方式，它可以在造成较小的表面粗糙度变化的情况下提高表面附近的硬度和残余压应力。我们以往的研究（2）证明被气穴冲击处理30min的辊子的接触疲劳寿命得到了提高。因此在这项研究中将采用气穴冲击和喷丸强化的处理方式来保证被冲击过的钢制辊子表面粗糙度相同，同时对其进行滚动接触疲劳测试来研究气穴冲击和喷丸强化分别对辊

4、子接触疲劳寿命的影响。2、试样接触疲劳测试中使用的试验辊子副由直径为60mm的慢速试验辊和快速配套辊组成。试验辊和配套辊均采用铬钼铸钢（JIS:SCM415）。试验辊在淬火回火前进行了渗碳处理，配套辊进行了碳氮共渗。这些辊子在热处理后被加工到最终尺寸，它们的最终圆周表面分别进行了气穴冲击和喷丸强化处理。这里辊子的杨氏模量和泊松分别比为206Gpa和0.3。（a）试验辊 （b）配套辊图1 试验辊子副的形状及尺寸 条件名称CP喷嘴类型C喷射类型水喷嘴直径 mm2喷射压力 MPa30水腔压力 MPa0.42处理时间 min5防区外距离 mm85辊子转速 rpm20条件名称FPPNSP丸粒材料铁基非晶

5、钝化切丸丸粒直径 mm0.10.3丸粒硬度 HV900600空气压力 MPa0.10.5喷丸时间 s12弧高 mmN0.2050.694覆盖率 %300喷射距离 mm150辊子转速 rpm30表1 试验辊子副的气穴冲击条件 表2 试验辊子副的喷丸强化条件 表1显示试验辊子副的气穴冲击条件。气穴冲击（3）是由空泡破裂造成的冲击波和由微射流造成的冲击力来进行冲击的。它使用水空化射流（4）或空气的空化射流（5）。在这个研究中采用水的空化射流，它是将高速水流摄入充满水的空腔中形成的。自来水也被用来产生高速水射流。辊子被安装在充满自来水的的空腔中，就在气穴冲击中它们以20rpm的速度进行回转。 表面粗糙

6、度是影响领机械零部件接触疲劳寿命的因素之一，其次使用冲击而增加的表面粗糙度可以诱使接触疲劳寿命（6）的缩短。如后所述，被冲击过的测试辊的粗糙度的算数平均值也就是表面粗糙度为Ra 0.27m。为了调查气穴冲击和喷丸对钢制辊子接触疲劳寿命的影响，选择了表2中展示的两种喷丸条件来保证与气穴冲击过的辊子具有相同的表面粗糙度。一种为使用直径0.1mm粒子的微粒子喷丸和另一种使用直径0.3mm的正常喷丸。这里在正常喷丸中使用的粒子硬度为600HV，比平常使用的粒子要软来减少由正常喷丸造成的表面粗糙度的增加，因为正常喷丸很容易造成表面粗糙度的增加。在这个研究中采用的喷丸粒子为空气喷丸粒子，辊子被这些粒子进行

7、处理的同时以30rpm的速度匀速转动。气穴冲击和喷丸强化处理的时间分别为5min和12s。 图2 试验辊的表面照片和粗糙度曲线 图2 显示了试验辊在进行接触疲劳测试前的表面照片。在图中所示样品中，R放在前面来代表试验辊，R-NP代表没有被冲击处理的试验辊。使用激光扫描显微镜来取得试验辊表面图像。在这个图中显示了测试辊的粗糙度曲线及其谱分析结果。试验辊的粗糙度曲线是使用表面粗糙度仪在辊子圆周面上沿其轴向方向测量得出的。从这个图中可以确定R-CP的表面图像与R-NP的图像相似，R-CP的图像中仍旧可以观察到磨削痕迹。相比之下分别由微粒子喷丸和正常喷丸形成的R-FPP和R-NSP图像中的辊子表面磨削

8、痕迹已经消失。从试验辊辊粗糙度曲线可以看出，被冲击过的测试辊粗糙度曲线振幅均有所增加，而且这些被喷丸过的试验辊的振幅几乎相同。根据粗糙度曲线的谱分析结果，在1/50mm-1的范围内即波长0.02mm的区间内被喷丸过的试验辊的粗糙度曲线中的功率谱线均比为未经冲击处理的辊子要大。因此可以说在冲击过程中发生了大波纹度的塑形变形。而且在波长0.02mm范围内R-FPP和R-NSP粗糙度曲线中的功率谱线也特别小。在本实验范围内，喷丸强化减小了粗糙度曲线中的高频分量。甚至试验辊的粗糙度曲线振幅相同时，由气穴冲击造成的粗糙度曲线与喷丸强化的仍旧不同。这是气穴冲击以及喷丸强化对金属表面所产生的不同影响之一。图

9、3展示了试验辊的平均硬度分布。用微型硬度计施加0.98N的力30秒，即可测出维氏硬度。平均硬度分布是从辊子圆周表面下5个不同深度处测量的硬度值得出的。如图3所示，冲击提高了圆周表面附近的硬度。特别是使用微粒子喷丸强化的试验辊表面硬度要大于其余方式处理过的试验辊的硬度。就冲击造成的硬化层而言，微粒子喷丸造成的硬化层深度约为辊子表面以下25m，而气穴冲击和正常喷丸的硬化层深度约为75m。试验辊的有效渗碳深度，即硬度为550HV的地方，深度约为0.8mm。在此项研究中，采用相同方式被冲击过的试验辊和配套辊作为一个辊子副来进行疲劳测试。配套辊的平均硬度分布于试验辊趋势相同。图3 试验辊的硬度分布图4

10、试验辊表面残余压应力分布样本试验辊R-NPR-CPR-FPPR-NSPRa m0.130.270.330.28Rz m1.282.482.092.21HV7608881170975(x)r MPa-370-724-1043-625(y)r MPa-117-639-1000-547表3 试验辊表面特性样本残余奥氏体数量(V)x %(V)y %试验辊R-NP46.0245.10R-CP40.4735.94R-FPP29.6428.79R-NSP32.6637.10表4 试验辊表面残余奥氏体数量 试验辊的残余应力分布如图4所示。测量残余应力是根据2-sin2（7）的方法，使用CrK-ray作为特征X

11、射线来测量的。为了进行接触辊子表面下的应力分析，选择辊子表面中心任意一点作为原点，分别将轴向、圆周方向和半径方向作为x、y和z坐标方向。为了测量辊子表面下的残余应力，使用电解抛光将辊子表层去除。如图4所示，轴向和圆周方向的残余应力(x)r 和(y)r是由测量的残余压应力值进行弹性计算（8）修正来确定的，因为表层的去除将会影响到测得的压应力。辊子半径方向的径向残余应力(z)r也是由弹性方程（8）确定的。从图4中可以看出，被冲击过的试验辊的(x)r 和 (y)r 在表层的压缩区域中。这些压应力均大于未经冲击强化的辊子。气穴冲击和正常喷丸所产生的压应力层深要大于微粒子喷丸的。对于表面残余应力，微粒子

12、喷丸处理过的试验辊的的表面残余压应力在所有试验辊中是最大的，和表面硬度一样。在这里，所有辊子的(z)r都几乎为零，而且具有恒定深度。 表3给出了所有试验辊的表面粗糙度，表面硬度和表面残余应力。它们的表面粗糙度采用相同方法测出，如图2粗糙度曲线所示。粗糙度的算数平均值Ra和粗糙度的最大高度值Rz（9）均作为这项研究中的粗糙度参数。表面硬度由图3所示的它们的硬度分布得到。从图4中测得的它们的残余应力分布可以得到表明残余应力。被冲击过的试验辊的粗糙度参数和预期的几乎相同。正如先前记录的，在本实验范围内微粒子喷丸使表面硬度和表面残余压应力增加最多。由微粒子喷丸造成的那些最大的增长预计有利于提高滚动接触

13、寿命。配对辊的表面特性与试验辊有相同的趋势。 试验辊圆周表面的残余奥氏体数量如表4所示。残余奥氏体数量采用与图4 中测量残余应力相同的方法获得。总的来说，它被喷丸造成的塑性变形而引起的相位变化严重降低了（10）。从表4可以看出被冲击过的测试辊的残余奥氏体数量小于没有被冲击的，而且微粒子喷丸的试验辊的数量最小。因此残余奥氏体的数量反映了微粒子喷丸造成的塑性变形量，由于微粒子喷丸的试验辊的表面硬度和表面残余压应力在本实验分为内均为最大。然而与微粒子喷丸和正常喷丸对比时，气穴冲击的残余奥氏体数量并没有被其造成的塑形变形所大幅度减小。可以认为气穴冲击造成的塑性变形行为与微粒子喷丸和正常喷丸的不同，正如

14、在图2所示的粗糙度曲线的情况。3 实验步骤 使用一个弹簧加载式滚筒试验机（11）来进行辊子的滚动接触疲劳实验。由压缩弹簧来施加试验辊与配对辊之间的载荷。最大赫兹应力pmax（12）作为接触辊之间加的载荷标准。在表5中的滑动-滚动接触条件（11）下进行滚动接触疲劳测试。试验辊作为慢辊，配套辊作为快辊。使用ATF作为这些测试中的润滑油。这种润滑油的特性在表6中给出。该润滑油以一定的压力从喷嘴中供给到啮合侧的试验辊对。为试验辊对所供给的油的流速为约1500毫升/分钟。油的温度调节到313±4 K。慢辊转速1432 rpm慢辊圆周速度4.50 m/s快辊转速1800 rpm快辊圆周速度5.6

15、5 m/s慢辊滑动比-25.7%快辊滑动比+20.4%滑动速度1.15 m/sATF比重 288/277K 0.8564闪点 K467运动粘度 313K33.18×10-6m2/s 373K7.225黏度指数191表5 滚动接触疲劳测试 表6 润滑油特性 如后所述，试验辊的滚动接触疲劳测试在最大赫兹应力为2200MPa到2600MPa之间进行。试验辊子副的最小油膜厚度D.Dowson（13），即hmin在1.6m到1.7m。然后由（14）定义的D值对于所有试验辊子副均为1以上。在计算最小油膜厚度和D值时，接触辊子表面之间油的温度为313K，这是在进行滚动接触疲劳试验时所供的油的温度。

16、在这项研究中，试验辊的滚动接触偏劳寿命N定义为滚筒试验机在因致命的表面失效造成的振动增大而自动停机时的转数。 4.试验结果 图5所示为失效的试验辊的圆周表面以及横截面的照片。本研究中使用的试验辊的失效模式为表面裂纹造成的点蚀，在滚动接触疲劳试验中点蚀突然发生在试验辊的圆周表面。具体而言，试验辊表面裂纹在辊子表面下沿着滚动方向扩张。由辊子表面的剥离造成了图5中所示的致命的表面失效。在本研究中试验辊的致命表面失效的剥离深度范围在辊子表面下0.5mm到1mm。图6显示了由滚动解除疲劳试验得出的最大赫兹接触应力pmax与试验辊的滚动接触疲劳寿命N 之间的关系。图中箭头所示在试验辊的转数超过2×

17、;107时，试验辊的圆周表面没有发生致命的表面失效。通过对失效辊子标记的最小二乘逼近得出图中曲线。这个图中的4条近似曲线几乎是平行的，与其他试验辊对比，未被冲击的辊子的近似曲线在其他试验辊曲线的左侧。试验辊的滚动接触疲劳寿命有一些其他变化。然而，从这个图中可以很明显看出冲击调高了所有试验辊的滚动接触疲劳寿命。总的来说，正常喷丸的接触疲劳寿命最长，其次是微粒子喷丸的辊子，气穴冲击的辊子和未冲击的辊子。图5 失效试验辊的观察图6 试验辊的pmax-N曲线图7 试验辊表面耐久性与表面硬度之间的关系 在此研究中，接触疲劳测试中试验辊的接触疲劳极限，即表面耐久性（pmax）lim被定义为在2×

18、107转时的最大赫兹应力。试验辊表面耐久性（pmax）lim与表面硬度之间的关系如图7所示。从图中看出，冲击提高了所有试验辊的表面耐久性。它们有与试验辊表面硬度增加而增大的趋势。然而表面硬度最大的R-FPP的表面耐久性与R-NSP的相似。FPP引起的表面耐久性的增加并没有跟FPP引起的硬度增加保持同步，尽管R-FPP表面硬度以及表面残余应力均大于R-NSP。 5、使用维氏硬度和正应力来评估滚动接触疲劳寿命 正如先前提到，试验辊的失效形式为表面裂纹造成的点蚀（15）。因此切向正应力y被考虑因为它在表面处变为最大。在计算这个接触表面的切向正应力时，使用的x、y、z坐标方向与测量试验辊表面特性时相同

19、。试验辊表面的切向正应力是在这个坐标系中使用（16）的分析方法计算出来的。 和在前面论文（15）中渗氮钢辊的情况一样，对切向正应力y与维氏硬度值HV之间比值的最大振幅A(y/3HV)max的计算中忽略了平均应力对疲劳寿命的影响，同时假设在滚动接触疲劳测试前试验辊材料的强度与它们的硬度成正比。在接下来的段落里，试验辊的滚动接触疲劳寿命和表面耐久性将用A(y/3HV)max(17)进行讨论。为了计算切向正应力y，还需要考虑表3中所示的试验辊的表面残余应力。图8试验辊的A(y/3HV)max - N曲线 图8所示为试验辊的最大振幅A(/3HV)max与滚动接触疲劳寿命N之间的关系。这个图是A(y/3

20、HV)max - N曲线，即将图6 中纵坐标的最大赫兹应力pmax变为A(y/3HV)max。在这里，使用这种评估方法，表面硬度的影响不会出现。与图6相比较，图8 中R-CP的近似曲线与R-NSP的几乎重合。这可能是由于R-CP的加工硬化层深度、残余应力的分布、表面粗糙度分别于R-NSP的相似。其次图8中R-CP和R-NSP的近似曲线位于R-NP的下方。由此可以说明R-CP和R-NSP的滚动接触疲劳寿命和表面耐久性跟随由冲击引起的表面硬度的增加而提高。因此在相同的表面粗糙度和表面硬度下，气穴冲击对滚动接触疲劳寿命的影响与正常喷丸的相同。R-CP、R-NSP、R-NP的A(y/3HV)max 之

21、间的差异由图8所示的M 表示，由于表面硬度被排除，而且R-CP和R-NSP的表面粗糙度参数是R-NP的两倍，表面粗糙度的影响基本上显示出来。R-CP和R-NSP的A(y/3HV)max之间的细微差别显示出CP的粗糙度曲线与NSP的不同，如图2所示。 另一方面，R-FPP的近似曲线位于其他试验辊下方很远的地方。R-CP。图8 中N所代表的R-NSP和R-FPP的A(y/3HV)max之间的差异显示出表面粗糙度的影响看起来不大，因为R-FPP的粗糙度参数几乎和R-CP和R-NSP相同。就R-FPP来说，在表面硬度和表面残余压应力被微粒子喷丸极度增加时，它的加工硬化层深度却比由气穴冲击和正常喷丸的小

22、。尽管在滚动接触疲劳试验中点蚀是从表面起源的失效，试验辊的致命表面失效分离深度是在辊子表面以下0.5mm到1mm。这个必须要考虑表面裂纹以及表面裂纹的扩展。因此表面附近的硬度分布极为不均的试验辊很难通过正应力与表面硬度之比进行评估。然而从图6 和8 中可以很明显可以看出微粒子喷丸引起的滚动接触疲劳寿命和表面耐久性的提升很大程度上取决于它对表面硬度的提高。最后，对机械零件疲劳，微粒子喷丸同时重点对表面裂纹发生进行关注是对表面失效有效的预防措施。与此相反，气穴冲击和正常喷丸对防止表面裂纹的发生以及扩张似乎有帮助，因为这些冲击增加了表明下的硬度和残余压应力。在此项研究中试验辊具有相同表面粗糙度来排除

23、粗糙度对滚动接触疲劳寿命的影响。在一般情况下，表面粗糙度会被冲击所改变，尤其是正常喷丸很容易引起表面粗糙度的增加。在丸粒直径超过0.2mm正常喷丸情况下，使用软丸粒有利于提高滚动接触疲劳寿命。这项研究表明在表面粗糙度和表面硬度相同的情况下，正常喷丸与气穴冲击对滚动接触疲劳的影响等效，与微粒子喷丸的效果不相等。因此表面处理条件应该根据滚动接触条件和机械零件的失效模式来进行选择。6、结论本文描述了用喷射压力30MPa的气穴冲击与丸粒直径为0.1mm和0.3mm的喷丸强化处理过钢制辊子的滚动接触疲劳试验结果。选择这3种冲击条件以确保被冲击过的试验辊具有相同的表面粗糙度。所有的冲击方式均提高了试验辊的

24、表面硬度和表面残余压应力，其中使用直径0.1mm丸粒的微粒子喷丸提高最多。相反微粒子喷丸的加工硬化层小于气穴冲击和是使用直径0.3mm丸粒的正常喷丸的。滚动接触疲劳试验中试验辊的失效形式是由表面裂纹引起的点蚀现象。使用正应力和表面硬度之间的比值，可以清楚看出试验辊得滚动接触疲劳寿命和表面耐久性被冲击造成的表面硬度增加所提升。特别是由微粒子喷丸造成的它们的提升主要依赖于由微粒子喷丸带来的表明硬度的增加。另一方面在表面粗糙度和表面硬度相同的情况下，正常喷丸与气穴冲击对滚动接触疲劳的影响等效，与微粒子喷丸的效果不相等。为了进一步提高滚动接触疲劳寿命，微粒子喷丸需要提供更深的加工硬化层深度，而正常喷丸

25、需要使用软丸粒来减小其对表面粗糙度的增加。此外，气穴冲击需要较大的表面硬度。因此表面处理条件应根据滚动接触条件和机械零件的失效模式选择。感谢作者在这里感谢JX Nippon 石油能源公司提供的润滑油。还要感谢冈山大学Kazuhiko Hagiwara先生的技术支持。笔者 这项研究的部分财政由AMADA金属技术研究和发展基金会支持，作者在这里表示感谢。参考文献(1) Harada, Y., Fukaura, K. and Haga, S., Influence of microshot peening on surface layer characteristics of structural

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