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      超聲波納米表面改性技術對軸承疲勞壽命的影響

      超聲波納米表面改性Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification,UNSM)技術是利用超聲波能量,通過工具頭在金屬材料表面進行加工,使材料表面發生嚴重塑性變形并形成一定深度的變質層,引入殘余應力,改變表層微觀組織、細化表層晶粒和硬化表面,降低材料表面粗糙度值,從而實現強化材料表面和改善材料抗疲勞性能的目的。UNSM技術的優勢在于其能在材料上獲得較深的變質層;在材料表面能得到較小的表面粗糙度;整個處理過程綠色、環保無污染,操作簡單,易精確控制。目前UNSM技術已經顯示出對各種金屬和合金,如鋁、青銅、鋼、鈦、銅等的有效性,也被應用到高溫結構材料中。


      UNSM技術應用于軸承的研究文獻不多,文獻[3]研究了采用UNSM技術修復滾動軸承內外圈的滾道,其通過光學顯微鏡、硬度儀、表面粗糙度儀和X射線衍射儀分析經UNSM技術修復的軸承內外圈滾道。結果表明,修復后的軸承內外圈滾道表面形貌得到改善,表面粗糙度降低,滾道表面硬度顯著提高,殘余壓應力提高,殘余壓應力的影響層增大。


      下面重點介紹文獻[5]研究的UNSM技術對滾針軸承和角接觸球軸承疲勞壽命的影響,因為所有的技術努力,最終的目標是實現材料壽命提高。在UNSM技術中將碳化鎢球連接到超聲變幅桿,變幅桿以20 kHz的頻率撞擊表面(圖1)。撞擊也可稱為微冷鍛,使表層產生嚴重的塑性和彈性變形,從而產生納米晶結構和深層殘余壓應力。此外,撞擊還會使試樣表面產生可控的微凹坑,改善相對運動中相互作用表面間的摩擦學特性。在彈流潤滑或混合潤滑的情況下,這些微凹坑可看做流體動壓軸承;在潤滑不足的情況下,可儲存潤滑劑;在滑動/滾動潤滑條件下,可儲存磨損碎屑。根據著名的Hall-Petch關系,經UNSM處理后在表層產生的納米結構可同時改善試樣的強度(硬度)和延展性(韌性)。

      圖1 UNSM處理原理和試樣的加工

      分別制定滾針軸承和角接觸球軸承的疲勞壽命試驗方案(詳細內容請參考文獻[5]),對未經UNSM處理和經過UNSM(確定處理的最佳參數)處理的軸承進行檢測和試驗,結果表明


      1)經UNSM處理軸承的表面粗糙度由0.550μm降低到0.149μm,表面硬度由58HRC增加到62HRC。

      2)表面粗糙度的降低、表面硬度的增加以及微凹坑的形成使摩擦因數和耐磨性得到改善。

      3)相比于未經處理軸承,經UNSM處理軸承在1484 MPa接觸應力下的最長疲勞壽命提高了70.1%。

      4)未經處理和經UNSM處理角接觸球軸承的疲勞壽命分別為11.176x106和14.527x106 r(疲勞壽命提高約29.9%)。

      5)UNSM處理產生的殘余壓應力在提高軸承疲勞壽命中起主導作用。


      未來將進一步研究UNSM處理的溫度對軸承疲勞壽命的影響;還需進行可模擬軸承工況的有限元分析。

      (來源:軸承雜志社)



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