超聲波納米表面改性技術(shù)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(shù)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(fā)生嚴(yán)重塑性變形并形成一定深度的變質(zhì)層，引入殘余應(yīng)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(xiàn)強化材料表面和改善材料抗疲勞性能的目的。UNSM技術(shù)的優(yōu)勢在于其能在材料上獲得較深的變質(zhì)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(huán)保無污染，操作簡單，易精確控制。目前UNSM技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用到高溫結(jié)構(gòu)材料中。

UNSM技術(shù)應(yīng)用于軸承的研究文獻不多，文獻[3]研究了采用UNSM技術(shù)修復(fù)滾動軸承內(nèi)外圈的滾道，其通過光學(xué)顯微鏡、硬度儀、表面粗糙度儀和X射線衍射儀分析經(jīng)UNSM技術(shù)修復(fù)的軸承內(nèi)外圈滾道。結(jié)果表明，修復(fù)后的軸承內(nèi)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(yīng)力提高，殘余壓應(yīng)力的影響層增大。

下面重點介紹文獻[5]研究的UNSM技術(shù)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(shù)努力，最終的目標(biāo)是實現(xiàn)材料壽命提高。在UNSM技術(shù)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(chǎn)生嚴(yán)重的塑性和彈性變形，從而產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)和深層殘余壓應(yīng)力。此外，撞擊還會使試樣表面產(chǎn)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(xué)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(jù)著名的Hall-Petch關(guān)系，經(jīng)UNSM處理后在表層產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)可同時改善試樣的強度(硬度)和延展性(韌性)。

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(nèi)容請參考文獻[5]），對未經(jīng)UNSM處理和經(jīng)過UNSM（確定處理的最佳參數(shù)）處理的軸承進行檢測和試驗，結(jié)果表明：

1)經(jīng)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(shù)和耐磨性得到改善。

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

4)未經(jīng)處理和經(jīng)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(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力在提高軸承疲勞壽命中起主導(dǎo)作用。