TiC薄膜对轴承钢表面滚动接触疲劳寿命和力学性能的影响

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万方数据第42卷2006年11月第11期119卜1201页金属学坂ACTAMETALLURGICASINICAV01．42NO．11Nov．2006PP．1197-1201TiC薄膜对轴承钢表面滚动接触疲劳寿命和力学性能的影响木刘洪喜Z,g平王小峰黄磊汤宝寅(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨150001)摘要利用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII＆D)技术在AISl52100轴承钢基体表面合成了Ti-C薄膜．测试了合成薄膜后试样表面的化学组成、摩擦磨损性能、纳米硬度、弹性模量和滚动接触疲劳寿命，观察了疲劳破坏后试样断面的光学形貌．XRD结果表明处理后试样表面形成了TiC相．光学显微镜下疲劳裂纹的萌生和扩展形貌揭示出疲劳破坏可能存在表面点蚀和膜层剥离两种形式．在Hertz接触应力为5．1GPa，90％置信区间条件下的疲劳寿命延长了5．5倍；最大微观硬度和弹性模量分别增加了28．4％和12．1％；相同磨损条件下的摩擦系数从0．95下降到O．15．关键词轴承钢，离子注入，TiC薄膜，疲劳寿命，摩擦磨损性能中图法分类号TGl72．44文献标识码A文章编号0412-1961(2006)11—1197-05EFFECTSoFTiCFILMSoNTHERoLLINGCoNTACTFATIGUELIFEANDMECHANICALPRoPERTIESoFBEARINGSTEELLIUHongxi，wANGLangping。wANGXiaofeng．HUANGLei。TANGBaoyinStateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001Correspondent．"TANGBaoyin，professor,Tel：(0451)86418794．Fax：(0451)86416186，E-mail：u咖liuhx@yahoo．com．cnSupportedbyKeyScienceandTechnologyProgramofHarbinCity(No．2005aqcs200)Manuscriptreceived2005-12-31，inrevisedforill2006—05—30ABSTRACTTi—CfilmiSsynthesizedbyplasmaimmersionionimplantationanddepositionfPIII＆D)techniqueonAISl52100bearingsteelsurface．XRDpatternsshowthatthefilmconsistsofTiCphase．RollingCOntactfatiguefRCFlfailureappearedatthepartsofpitcorrosionanddelami。nationofthefilmlayers，oracombinationofthesetwomodes，whicharedependentonthesubstratebiasvoltage．implantedpulsewidth，treatmenttimeandsurfaceroughness．ThemaximumRCFlifeofthetreatedsampleiSprolongedbv5．5timesataHertzstresslevelof5．1GPaand90％confidencelevel．Comparedwiththesubstrate．themaximummicrohardnessandelasticmodulusmeasuredbvnanoindentationmethodforthetreatedspecimenareincreasedbv28．4％and12．1％，respectively,andthefrictioncoefficientdecreasedfrom0．95to0．15．KEYWoRDSbearingsteel，ionimplantation，TiCfilm，fatigue1ife，frictionandwearproperty由于AISI52100(GCrl5)低合金高碳铬钢具有抗压强度高，抗磨损和热处理稳定性好等优点而被广泛用作航空航天、核工业、汽车等不同领域的滚动轴承材料ll,21．然而，在承受高循环接触载荷和长期磨损条件下，滚动轴承容易发生磨损、腐蚀、塑性变形和断裂等不同形式的失效．轴承一旦早期失效，将直接影响到整机和整个工作系统的稳定．已有的研究表明，滚动轴承疲劳失效主要发生+哈尔滨市科技攻关资助项目2005aqcs200收到初稿日期：2005—12—31，收到修改稿日期：2006—05—30作者简介：刘洪喜，男，1972年生，博士生在轴承内外套圈和滚动体的工作表面或近表面层峨引．因此，运用传统的表面处理技术在轴承表面合成不同类型薄膜，来提高轴承表面硬度和改善摩擦磨损性能，以增强轴承疲劳寿命和工作系统的可靠性，被认为是行之有效的方法[5-8j．然而，这些常规方法合成的薄膜很难同时满足高精密轴承对膜基之间需要强结合力及高尺寸公差稳定性的要求．另外，由于常规化学热处理、渗碳、渗氮等工艺处理温度较高，常超过AISl52100轴承钢的软化温度(≤150℃)而使轴承使用性能受到影响．等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术具有非视线性、膜基结合力强、注入和沉积脉宽可调、以及成本相 万方数据1198金属学报42卷对低廉的特点，近十多年来得到了很快的发展19-11j．但运用该技术在轴承钢表面合成薄膜以研究其对轴承材料疲劳性能的影响鲜有报道．鉴于此，本工作运用PIII&D技术在AISI52100轴承钢表面合成了TiC薄膜，研究了不同处理条件下合成薄膜后试样滚动接触疲劳寿命和力学性能得以改善的原因，初步分析了表面点蚀和膜层剥离两种疲劳破坏模式，以期为等离子体浸没离子注入与沉积技术在轴承表面改性领域的发展提供一条有益的途径．1实验方法1．1样品制备研究用AISI52100轴承钢试样采用(845士5℃)淬火+(150℃／ah)回火处理(HRC为6l～65)．其化学组成(质量分数，％)为：C0．95—1．05，Si0．15—0．35，Mn0．20-一0．40、Cr1．30—1．65，余为Fe．试样分为两组，其中平面样品为直径15mm、厚度3mill的圆片；疲劳试样为直径11mm、长200mm的圆柱棒．注入与沉积前，所有试样均需经机械磨光和抛光至表面粗糙度R。≤0．04弘m，然后在丙酮中超声清洗20min，再经电吹风烘干以防止试样表面被进一步污染．1．2TiC薄膜合成实验在自制的多功能等离子体浸没离子注入装置【12J上进行，该装置具有射频(RF)辉光放电、热灯丝点燃真空气体放电和阴极真空弧金属等离子体等多种等离子体产生手段，可连续进行金属和不同气体的PIII&D处理而不破坏真空．注入前用氩离子进行溅射清洗30min，以除去试样表面可能残存的氧化物和有机油污．本底真空为5．0x10～Pa．以钛棒(99．99％)作阴极产生阴极真空弧；C2H2(99．5％)为工作气体，通过射频辉光放电产生等离子体．PIII&D的主要技术参数为：气体流量50mL／min，射频源功率600W，金属源主弧电流120A，试样距磁导管口140mm，基体温度小于100℃，其余处理参数如表1所示．1．3性能测试采用PhilipsX’pert型X射线衍射仪进行合成薄膜试样的XRD分析．CuKs，管压40kV，管流100mA，衍射角范围250一85。．用UMIS-2000(CSIRO)型纳米压痕系统来评定合成薄膜后试样表面的纳米硬度和弹性模量．三角形金刚石压头断面角度为142．30，压头尖端半径为50Iim，加载载荷和深度分辨率分别为lN和0．03nm．球一盘摩擦磨损实验在CJSIIIA型多功能摩擦磨损试验机上完成(于摩擦)，摩擦球是直径为4mm的SiC陶瓷，载荷0．3N，旋转半径3mm，转速300r／min，以改性层完全磨穿时的转动圈数来判断磨损寿命．所有测试于室温(温度22℃，湿度38％一40％)下进行．滚动接触疲劳寿命在三球一棒疲劳磨损试验机上完成．在测试过程中，被合成薄膜和未经处理的柱形棒均始终受到镶嵌在固定锥形套内直径为12．7miD-钢球的径向载荷作用．整个系统浸泡在32号润滑油环境中，纯滚动接触．图l为滚动接触疲劳寿命试验机的结构简图．实验过程中，钢棒由旋转速度为2800r／min的驱动电机带动，对应的循环次数为3．95×105cyc／h[13,14J．此处外加载荷为88N，对应的最大Hertz接触压力约5．1GPa．根据Hertz接触理论分析，在该压力作用下，体系不会产生塑性变形【15j．经过足够次数的循环后，在被测试棒表面产生宏观疲劳坑或疲劳剥落，致使系统加速度增加，当加速度超过预先设定值时，安装在杠杆一端的高灵敏传感器将自动断开而使系统停止，此时由计算机记录下来的时间即被看作为该循环载荷下测试棒的疲劳接触寿命．疲劳破坏后试棒的磨痕形貌用OlympusBX60光学显微镜进行观察．2实验结果与分析2．1改性层XRD分析图2示出了不同注入脉宽下轴承钢表面合成TiC薄膜后试样的XRD测试结果．从图中可看出，当工作气压一定，注入脉宽分别为30和60“s的T7和T8试样的XRD谱图上均出现了TiC相衍射峰，只是强度不同．说明随着注入脉宽的增加，等离子体气氛中Ti十和C+结合生成TiC的几率增大，因而合成薄膜中TiC的量增多．但是注入脉宽为90“s的试样T9的XRD谱图上几表1轴承钢表面合成TiC薄膜的实验参数Table1PIII&DparametersusedinpreparingTiCfilmsonthesurfaceofbearingsteelsubstrate 万方数据11期刘洪喜等：TiC薄膜对轴承钢表面滚动接触疲劳寿命和力学性能的影响1199图1滚动接触疲劳寿命试验机结构简图Fig．1Schematicdrawingoftherollingcontactfatiguetestingmachiner1一Loadeding2-Loadlever3一Testingrod4-Accelerationsensor5-Loadedsheath6-Testingball7-Machinebase8-Taperring圈2不同注入脉冲宽度下合成TiC膜后试样表面的XRD图谱Fig．2XRDspectraofAISl52100bearingsteelsurfaceaftercoatingTiCfilmatdifferentimplantedpulsewidths，showingTi～CfilmconsistingoffccTiCphase乎观察不到TiC峰，这可能是由于Ti+注入能量增大，到达工件表面的冲量同时也增大，因而将工件表面刚刚形成却不太牢固的TiC薄膜被轰击掉，致使XRD谱线中看不到TiC相衍射峰．2．2改性层的微观硬度和弹性模量图3显示了合成TiC薄膜后试样表面的微观硬度和弹性模量与不同脉冲偏压和注入时间的对应关系．所有被处理试样的微观硬度都得到了一定程度的提高．对照基体，T1，T2和T3，从图3a可以看出，基体负偏压在25kV时，TiC薄膜的硬度达到最大值9．5GPa，最大弹性模量237GPa，与基体相比(7．4和215GPa)，其增幅分别达到28．4％和10．2％．图3b中，注入时间为4h时，最大硬度和弹性模量达到9．5和241GPa，分别比图3不同处理条件下试样表面的纳米硬度和弹性模量Fig．3NanohardnessandelasticmodulusV8biasvoltage(a)andimplantationtime(b)forthesamples基体增加了28．4％和12．1％．然而，根据文献f161报道，TiC薄膜的微观硬度在26—31GPa范围内，明显高于本实验所测值．这主要是因为薄膜的微观硬度、有效弹性模量和弹性恢复常数等机械性能与测试条件有很大的关系，如压头直径及其尖端形状，加载载荷大小和仪器本身的特性、分辨力等均会对测试结果产生极大影响．另外，对于离子注入与沉积表面改性来说，注入与沉积改性层相对较薄，根据纳米压痕测试理论，所测硬度值与压头压入深度有直接的对应关系，一般随着深度增加，所测硬度值减小[17,18J．因此，规定压头压入深度应不超过所测膜厚的1／7—1／10，但实际加载过程中压头压入的深度很有可能超出表面薄膜厚度，故所测得的显微硬度值只能部分的反映出改性层的硬度情况．尤其对较薄的硬质薄膜，所测得硬度值实际上是衬底和膜层的综合反映，根据文献119]，真实的薄膜硬度值远高于所测得的复合硬度．2．3改性层的摩擦性能图4为不同处理参数下合成TiC薄膜试样的摩擦系数随滑动圈数变化的关系曲线．可以看出，处理后试样的摩擦系数均低于未处理试样，且随着滑动圈数的增加，摩擦系数逐渐增大．但不同参数下处理样品摩擦系数稳定阶段持续的时间不同．其中T6最长，T5最短．摩擦系数随着滑动圈数增加而增大的可能原因是因为在滑动过程∞to．以r¨3口oE里苗旦山椰也o．砷主；可oEo一苗旦山 万方数据1200金属学报42卷图4处理前后不同参数下试样表面的摩擦曲线Fig．4Frictioncoefficientsoftreatedanduntreatedsam—piesasafunctionofslidingcyclesatdifferentbiasvoltages(treatmenttimesis4h)(a)anddifferenttreatmenttime(biasvoltageis一25kV)(b)中产生的磨屑参与磨损过程的结果．如果将摩擦系数陡增处的滑动圈数视为TiC膜的磨损寿命，那么负偏压为15kV和注入时间为5h参数下试样的磨损寿命相对较长．因为高的基体偏压下对应的离子能量相对较高，在注入时间一定时，高能粒子易从试样表面轰击掉刚合成但不太牢的TiC膜；而基体偏压较低时对应的离子轰击能量相对较小，合成的TiC薄膜被留在试样表面致使摩擦系数降低．另外，随着注入时间延长，尽管高能粒子轰击会破坏表面的TiC膜层，但这些离子能充分扩散进入到基体内部而使改性层的厚度增加，因而摩擦磨损性能也得到了明显改善．这与前面反映的微观硬度和弹性模量测试结果基本一致．2．4Weibull分布曲线图5描绘了轴承钢表面合成薄膜前试样以及处理后试样T1的Wbibull分布曲线．表2列出了这2个试样的Lto，Lso、平均寿命和特征寿命等参数．可以看出，合成TiC薄膜后试样T1的Llo，乞50、平均寿命和特征寿命比合成前试样TO分别增加了4．13、2．86、2．6l和2．98倍．虽然，轴承疲劳寿命存在着很大的分散性，测试的疲劳循环次数及由此绘出的Weibull分布曲线并不能Cyclenumbers，n圈5处理前后AISl52100轴承钢试样表面的Weibull分布曲线Fig．5WeibulldistributionplotsoffatiguelivesofRCFtestforuntreatedrod(TO)(a)andtreatedrod(T1)byPIII&：D(b)．Dataobtainedusingstan—dardloadingballsand90％confidencelevel表2衬底与合成TiC薄膜试样T1的Lzo、L50、平均寿命和特征寿命等参数Table2RCFtestresultsforthesustrate(TO)andthesam—pieTl(107cyc)完全代表滚动轴承的接触疲劳寿命，但所获得的这些数据仍能定性的说明经PIII＆D处理后轴承钢试样的接触疲劳寿命确实得到了很大改善．轴承寿命得以改善的主要原因可能一方面是高能离子注入所产生的高损伤缺陷，阻止了位错的移动，形成可塑性表面层；另一方面，由于注入离子剂量的增加，更多的离子会充填到近表面区域，使表面产生压应力而抑制表面疲劳裂纹的产生．当然，由于离子注入使材料表面硬度和耐磨性的增加以致摩擦系数减小也是很重要的影响因素．2．5滚动接触疲劳磨痕形貌不同处理时间下试棒疲劳破坏后的表面形貌观察结果如图6所示．可见，所有试棒的表面轮廓相似，但不ju∞曩譬∞oDco一石IJu芒∞l。晤∞oo亡。一百cL 万方数据刘洪喜等：TiC薄膜对轴承钢表面滚动接触疲劳寿命和力学性能的影响1201圈6不同注入时间下试样滚动疲劳损伤表面光学形貌像Fig．6OpticalmicrographsoftherollingcontactfatiguetracksofthesubstrateTO(a)，samplesT5(b)，T2(c)andT6(d)(arrowsindicatingthesecondcracks)同参数下断面的面积相差较大．疲劳裂纹起源于与滚动方向垂直且表面存在宏观微粒或基体和薄膜内部的夹杂、气孔等缺陷处．随着循环载荷的不断增加，裂纹向平行和垂直于滚动方向的四周扩展．同时，二次裂纹的扩展和几何特征清晰可见(如图中箭头所示)．从疲劳剥落形貌可_以分析出，在接触应力和润滑条件相同时，处理后试棒的疲劳寿命与基体偏压和处理时间等参数有很大关系．疲劳破坏的模式，一方面可能是由于接触区内滑动引起表面粗糙度增加或内部夹杂处的表面点蚀；另一方面，也可能是亚表面裂纹起源和扩展处缺陷导致的膜层脱落．至于具体的裂纹萌生和扩展机理还有待于进一步的研究．3结论(1)AISI52100轴承钢表面经等离子体浸没离子注入与沉积合成TiC薄膜后，力学性能和滚动接触疲劳寿命均明显改善．在Hertz接触压力为5．1GPa，90％置信区间条件下，薄膜试样的LlO、L50、平均寿命和特征寿命比基体材料分别增加了4．13，2．86，2．6l和2．98倍．(2)不同处理参数获得的试样最大微观硬度和弹性模量分别为9．5和241GPa，比基体材料增加了28．4％和12．1％．(3)滚动接触疲劳中出现点蚀和膜层剥离两种破坏模式．疲劳裂纹的萌生和扩展与基体材料内部的缺陷、表面状况及薄膜合成的处理参数有很大关系．参考文献【1】1WangYL，FernandezJE，CuervoDG．Wear，1996；196：1lO【2】KuhnM，GoldPW，LoosJ．Su盯CoatTechnol，2004；177-178：469【3】3LiMY，KnystautasEJ，KrishnadevM．Su巧CoatTech—nol，2001；138：220[4】SridhavanK，WilsonEH，LawrenceDF．ApplSurfSci，2004；222：208【5]StewartS，AhmedR．Wear，2002；253：1132【6]ZhuMH，ZhouZR，KapsaP，VincentL．Wear，2001；250：650[7]TangBY，LiuHX，WangLP．Su仃CoatTechnol，2004；186：320【81YonekuraD，ChittendenRJ，DearnleyPA．Wear,2005；259：779[9】AndersA．Su仃CoatTechnol，2002；154：152【10】DJRe．In：GlockerDA，ShahSI，eds．，Handbook吖ThinFilmProcessTechnology，Philadelphia，PA：Insti-tuteofPhysics，1995：1[11】Philadelphia，PA：AndersA．HandbookofPlasmaImmer．sionIonImplantationandDeposition．NewYork：JohnWiley＆Sons．2nc；2000：32[12]ChuPK，TangBY，ChengYc．RevSciInstrum，1997；68：1866【13】PolonskyIA，KeerLM．Wear，1998；215：191【14]LoverDG．ABall-RodRollingContactFatigueTester．In：HooJC，ed，ASTMSTP，Philadelphia，1982：107[15】ChenYH，PolonskyIA，ChungYW．Su盯CoatTechnol，2002；154：152【161WeirnerAW．Carbide，NitrideandBorideMaterialssyn—thesisandProcessing．London：ChapmanandHall，1997：650f171[18】IchimuraH，RodriguezFM，RodrigoAnol，2000；127：138Puchi—CabreraES，BerriosJA，TeerTechnol，2002；157：185Su时CoatTech—DG．Sur，Coat【19]OliverWC，PharrGM．JMaterRes，1992；7：1562 TiC薄膜对轴承钢表面滚动接触疲劳寿命和力学性能的影响作者：刘洪喜，王浪平，王小峰，黄磊，汤宝寅，LIUHongxi，WANGLangping，WANGXiaofeng，HUANGLei，TANGBaoyin作者单位：哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨,150001刊名：金属学报英文刊名：ACTAMETALLURGICASINICA年，卷(期)：2006,42(11)被引用次数：4次参考文献(19条)1.Puchi-CabreraES;BerriosJA;TeerDG查看详情20022.IchimuraH;RodriguezFM;RodrigoAThecompositeandfilmhardnessofTiNcoatingspreparedbycathodicarcevaporation[外文期刊]2000(2/3)3.LiMY;KnystautasEJ;KrishnadevM查看详情[外文期刊]20014.KuhnM;GoldPW;LoosJWearandfrictioncharacteristicsofPVD-coatedrollerbearings[外文期刊]2004(0)5.OliverWC;PharrGM查看详情19926.AndersA查看详情20027.YonekuraD;ChittendenRJ;DearnleyPAWearmechanismsofsteelrollerbearingsprotectedbythin,hardandlowfrictioncoatings[外文期刊]2005(1)8.TangBY;LiuHX;WangLPFabricationoftitaniumcarbidefilmonbearingsteelbyplasmaimmersionionimplantationanddeposition[外文期刊]2004(1/2)9.ZhuMH;ZhouZR;KapsaP;VincentLAninvestigationofmolybdenumdisulfidebondedsolidlubricantcoatingsinfrettingconditions[外文期刊]2001(2/3)10.StewartS;AhmedRRollingcontactfatigueofsurfacecoatings-areview[外文期刊]2002(11/12)11.SridhavanK;WilsonEH;LawrenceDFApplicationofhydrocarbonplasmasformodifyingnear-surfacecharacteristicsofbearingsteel[外文期刊]2004(1/4)12.WeirnerAWCarbide,NitrideandBorideMaterialssynthesisandProcessing199713.ChenYH;PolonskyIA;ChungYWThermalstabilityofhardTiN/SiNxmultilayercoatingswithanequiaxedmicrostructure[外文期刊]2002(2/3)14.LoverDGABall-RodRollingContactFatigueTester198215.PolonskyIA;KeerLM查看详情199816.ChuPK;TangBY;ChengYCPrinciplesandcharacteristicsofanewgenerationplasmaimmersionionimplanter[外文期刊]1997(4)17.PhiladelphiaPA;AndersAHandbookofPlasmaImmersionIonImplantationandDeposition200018.DJRe;GlockerDA;ShahSIHandbookofThinFilmProcessTechnology199519.WangYL;FernandezJE;CuervoDGPHASETRANSFERCATALYZEDDEHYDROGENATIONSYNTHESISOFAZOUREASFROMARYLSUBSTITUTEDSEMICARBAZIDE[外文期刊]1996(19)本文读者也读过(4条)1.刘洪喜.蒋业华.周荣.詹肇麟.汤宝寅.LIUHongxi.JIANGYehua.ZHOURong.ZHANZhaolin.TANGBaoyin类金刚 石薄膜对轴承钢表面机械性能和滚动接触疲劳寿命的影响[期刊论文]-材料研究学报2009,23(1)2.鲁连涛.盐泽和章.森井佑一.西野精一.LULiantao.SHIOZAWAKazuaki.MORIIYuichi.NISHINOSeiichi高碳铬轴承钢超长寿命疲劳破坏过程的研究[期刊论文]-金属学报2005,41(10)3.鲁连涛.盐泽和章.姜燕.LULiantao.SHIOZAWAKazuaki.JIANGYan深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响[期刊论文]-金属学报2006,42(5)4.李永德.杨振国.李守新.柳洋波.陈树铭.LIYongde.YANGZhenguo.LIShouxin.LIUYangbo.CHENShumingGCr15轴承钢超高周疲劳性能与夹杂物相关性[期刊论文]-金属学报2008,44(8)引证文献(4条)1.黄磊.王浪平.王小峰.闫久春.解志文.陆洋中心螺线圈式大面积均匀金属等离子体形成方法[期刊论文]-核技术2009(3)2.刘洪喜.蒋业华.周荣.詹肇麟.汤宝寅类金刚石薄膜对轴承钢表面机械性能和滚动接触疲劳寿命的影响[期刊论文]-材料研究学报2009(1)3.刘洪喜.苏海青.蒋业华.孟春蕾.林波航空轴承表面合成DLC薄膜的结构特征和滚动[期刊论文]-航空学报2009(9)4.刘洪喜.蒋业华.周荣.周荣锋.金青林.汤宝寅等离子体浸没离子注入与沉积合成TiN薄膜的滚动接触疲劳寿命和机械性能[期刊论文]-金属学报2008(3)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsxb200611015.aspx