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离子注入与沉积的GCr15轴承钢滚动接触疲劳强化机理研究

作　者: 刘洪喜
导　师: 汤宝寅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D) TiN薄膜轴承机械性能滚动接触疲劳寿命
分类号: TH133.33
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

延长轴承疲劳寿命,尤其是滚动轴承的接触疲劳寿命一直是轴承工作者十分重视的研究课题。近几十年来,尽管钢材冶金质量、结构设计、加工制造、润滑技术等得到了较大改进,但轴承在实际工况下的疲劳寿命仍难以大幅度提高。本文从材料表面改性的角度出发,在总结热处理、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、离子注入等传统处理工艺的基础上,提出采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)新技术,在GCr15轴承钢基体表面合成了TiN及其系列复合薄膜。测试结果显示,合成薄膜后轴承试样的滚动接触疲劳寿命得到了很大改善;不同参数下的Weibull分布曲线表明,处理后试样的疲劳寿命分散性明显减少。在分析合成薄膜后轴承钢试样疲劳寿命得以提高的因素中,阐明了试样表面结构、残余应力、薄膜类型、基体表面粗糙度、合成薄膜厚度等参数的影响。全面叙述了未经表面强化处理轴承滚动接触疲劳破坏的Lundberg.G和Palmgren.A最大动态剪切应力理论(L-P理论)及Weibull分布理论。指出了它们在分析PIII&D合成薄膜后轴承试样滚动接触疲劳破坏机理方面的局限和存在的不足。同时,以L-P理论和Weibull分布理论为基础,结合ANSYS有限元软件对接触循环应力应变场的模拟分析结果、Weibull分布曲线和薄膜试样疲劳破坏的扫描电镜原始形貌照片,提出了接触循环载荷作用下PIII&D合成TiN薄膜后轴承试样疲劳破坏的五阶段模型,分析得出其疲劳失效机理可能是膜层内部存在微观缺陷而产生细小裂纹,在循环载荷作用下裂纹不断扩展,同时受到剪切应力和润滑油中污染颗粒共同作用的结果。运用X光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析了处理后试样表面的结构组成及表面状态。XRD图谱证实了薄膜中存在TiN相,并在(200)晶面表现出择优取向。距表面不同深度处Ti2p和N1s的XPS能谱泰勒分峰结果表明,表面膜层中主要存在钛的氮化物、氧化物和氮氧化合物,具体表现形式为TiN、TiO2、TiNxOy三种,同时也存在少许过量的单质氮。AFM表面二维、三维形貌及粗糙度曲线显示出表面薄膜结晶完整,结构致密,颗粒清晰可见。处理后轴承试样的纳米硬度和弹性模量较基体均有所增加,但不同工艺条件下增加的程度不同。其中最大纳米硬度和弹性模量较基体分别提高了127.3%和59.1%。纳米划痕曲线揭示出薄膜试样在整个划擦过程中先后经历了弹性变形、弹塑性变形、加载开裂和卸载剥离三个阶段,表明TiN薄膜具有较好的弹性恢复能力和与基体之间较强的结合力。采用掠入射X射线(GIXA)单峰法测试了不同膜厚下轴承钢试样表面的残余应力。结果表明,所有合成TiN薄膜的试样表面均存在较大残余压应力,且随着薄膜厚度的增加,膜层表面残余压应力值下降。摩擦系数曲线显示出合成薄膜后试样的摩擦磨损性能均优于基体材料,最低摩擦系数低于0.2。另外,处理前试样表面粗糙度愈低,合成薄膜后试样的机械性能相对愈好。ANSYS模拟分析结果显示:对于未经强化处理的滚动接触,一定轴向力作用下的最大Von mises应力出现在滚珠和轴承套环相接触的区域,并靠近边缘下方的拐角处,最大剪切应力发生在距离接触表面一定深度的地方。这种情形与L-P的最大动态剪切应力理论基本一致。对于合成TiN薄膜后的轴承,同样轴向力作用下的最大等效应力出现在膜基结合处。最大剪切应力出现在膜基界面,并位于薄膜内部。一定弹性模量下,最大等效应力和最大剪切应力均随着膜厚增加而逐渐变小。凭借自行研制的球棒疲劳磨损试验机测试了不同PIII&D工艺下轴承试样的滚动接触疲劳寿命。结合Weibull分布理论,运用C语言计算了薄膜试样的疲劳寿命特征参数,并绘制了相应的Weibull曲线。与基体相比,不同粗糙度和处理时间下,处理后轴承试样的滚动接触疲劳寿命明显延长。其中,TiN单层膜的最大L10提高了约9.2倍;L50提高了约4.2倍;La和平均寿命均分别提高了约3.5倍。疲劳寿命得以改善的原因与PIII&D合成薄膜后轴承试样表面粗糙度和摩擦系数的减小,表面组织和成份的优化及表面存在的压应力状态等有着密切关系。另外,复合薄膜的不同特征寿命均高于单层薄膜试样。处理后轴承试样疲劳破坏的光学显微及扫描电镜(SEM)原始形貌观察结果和疲劳破坏的五阶段模型揭示出PIII&D合成TiN薄膜后,轴承的疲劳失效机理是膜层内部存在微观缺陷而产生细小裂纹,在循环载荷作用下裂纹不断扩展,同时受到剪切应力和润滑油中污染颗粒共同作用的结果。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
物理量名称与符号表  8-17
第1章绪论  17-46
  1.1 课题研究背景和意义  17-18
  1.2 滚动轴承疲劳寿命的研究综述  18-27
    1.2.1 滚动接触疲劳问题  18-19
    1.2.2 滚动接触的赫兹理论  19-22
    1.2.3 滚动轴承疲劳寿命的影响因素  22-27
  1.3 滚动轴承疲劳破坏机理和疲劳寿命模型  27-35
    1.3.1 滚动轴承接触疲劳破坏机理概述  27-29
    1.3.2 滚动轴承接触疲劳寿命计算公式  29
    1.3.3 滚动轴承接触疲劳破坏模型  29-33
    1.3.4 寿命预测模型的对比分析  33-35
  1.4 表面工程技术及其在改善轴承疲劳寿命方面的研究  35-42
    1.4.1 表面工程技术及其发展  35-36
    1.4.2 表面涂层的摩擦学性能及其在滚动轴承中的应用  36-37
    1.4.3 离子注入改性技术在改善轴承疲劳寿命方面的研究进展  37-40
    1.4.4 等离子体浸没离子注入与沉积技术在轴承改性方面的研究  40-42
  1.5 PIII&D处理后轴承疲劳破坏机理探讨的必要性  42-43
  1.6 TiN的特点、应用及其合成方法  43-44
  1.7 本课题主要内容  44-46
第2章等离子体浸没离子注入与沉积工艺  46-58
  2.1 引言  46
  2.2 合成薄膜的PIII&D装置  46-49
    2.2.1 实验装置  46
    2.2.2 PIII&D工作原理及特点  46-49
  2.3 GCr15 轴承钢的性能、成份及试样制备  49-50
  2.4 实验工艺  50-54
    2.4.1 氩离子溅射清洗  51
    2.4.2 实验方案确定  51-52
    2.4.3 实验用公共参数  52
    2.4.4 不同条件下的实验工艺  52-54
  2.5 性能表征  54-57
    2.5.1 XRD、XPS、AFM和XRF测试  54-55
    2.5.2 表面粗糙度测量  55
    2.5.3 摩擦磨损性能测试  55-56
    2.5.4 合成薄膜的纳米压痕和纳米划痕表征  56
    2.5.5 疲劳寿命测试和疲劳破坏形貌观察  56-57
  2.6 本章小结  57-58
第3章处理后轴承钢表面的机械性能和残余应力  58-90
  3.1 引言  58
  3.2 PIII&D处理后轴承钢表面膜层的成分和结构  58-69
    3.2.1 薄膜试样的XRD成分分析  58-60
    3.2.2 薄膜试样表面的XPS能谱  60-66
    3.2.3 处理后试样表面的AFM形貌分析  66-69
  3.3 处理后试样的纳米压痕和划痕  69-78
    3.3.1 不同工艺条件下的纳米压痕  69-72
    3.3.2 薄膜试样表面的纳米划痕分析  72-78
  3.4 PIII&D处理前后改性层摩擦磨损性能  78-81
    3.4.1 不同类型薄膜的摩擦磨损性能  78
    3.4.2 不同处理时间下薄膜试样的摩擦磨损性能  78-80
    3.4.3 不同表面粗糙度下薄膜试样的摩擦磨损性能  80
    3.4.4 不同基体偏压下薄膜试样的摩擦磨损性能  80-81
  3.5 薄膜中残余应力的测定  81-88
    3.5.1 薄膜应力概述  81-83
    3.5.2 X射线在薄膜残余应力测定中的应用  83
    3.5.3 薄膜材料的非对称X射线衍射原理  83-84
    3.5.4 薄膜残余应力的掠入射测量方法  84-86
    3.5.5 TiN薄膜中残余应力的测定  86-88
  3.6 本章小结  88-90
第4章合成薄膜后轴承的接触疲劳寿命  90-110
  4.1 引言  90-92
  4.2 球棒疲劳磨损试验机  92-95
    4.2.1 试验机结构和工作原理  92-94
    4.2.2 接触应力和循环次数的计算  94-95
  4.3 基本额定寿命（90%额定寿命）及其计算  95-96
  4.4 Weibull分布及在疲劳数据分析中的应用  96-101
    4.4.1 疲劳寿命特点和Weibull分布简介  96-97
    4.4.2 Weibull分析理论基础  97-98
    4.4.3 疲劳寿命数据分析  98
    4.4.4 二参数Weibull分布条件下疲劳数据的处理  98-101
  4.5 处理后轴承的寿命特征参数和Weibull曲线  101-109
    4.5.1 不同工艺条件下滚动轴承的疲劳寿命及特征参数  101-105
    4.5.2 处理后轴承疲劳寿命的Weibull和特征参数曲线  105-109
  4.6 本章小结  109-110
第5章滚动轴承接触应力场数值模拟  110-129
  5.1 引言  110-111
  5.2 接触问题分析  111-112
  5.3 实际球轴承的接触问题  112-114
  5.4 赫兹理论在求解轴承接触问题上的局限  114
  5.5 ANSYS简介及其在滚动接触中的应用  114-115
  5.6 理想滚动接触的有限元模拟  115-119
    5.6.1 推力球轴承的结构及性能参数  116-117
    5.6.2 推力球轴承的有限元模型  117-118
    5.6.3 轴承在轴向力作用下的应力分布  118-119
  5.7 PIII&D薄膜轴承的数值模拟  119-127
    5.7.1 薄膜推力球轴承的有限元模型  121
    5.7.2 薄膜参数对处理后轴承等效应力分布的影响  121-125
    5.7.3 薄膜参数对处理后轴承剪切应力分布的影响  125-127
  5.8 本章小结  127-129
第6章 PIII&D处理轴承的疲劳失效机理分析  129-142
  6.1 引言  129
  6.2 处理后轴承试样的疲劳破坏特征及机理分析  129-141
  6.3 本章小结  141-142
结论  142-144
参考文献  144-156
附录两参数Weibull曲线绘图  156-159
攻读学位期间发表的主要学术论文  159-161
致谢  161-162
个人简历  162

离子注入与沉积的GCr15轴承钢滚动接触疲劳强化机理研究

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