超声波纳米表面改性技术对轴承疲劳寿命的影响

超声波纳米表面改性（Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification，UNSM）技术是利用超声波能量，通过工具头在金属材料表面进行加工，使材料表面发生严重塑性变形并形成一定深度的变质层，引入残余应力，改变表层微观组织、细化表层晶粒和硬化表面，降低材料表面粗糙度值，从而实现强化材料表面和改善材料抗疲劳性能的目的。UNSM技术的优势在于其能在材料上获得较深的变质层；在材料表面能得到较小的表面粗糙度；整个处理过程绿色、环保无污染，操作简单，易精确控制。目前UNSM技术已经显示出对各种金属和合金，如铝、青铜、钢、钛、铜等的有效性，也被应用到高温结构材料中。

UNSM技术应用于轴承的研究文献不多，文献[3]研究了采用UNSM技术修复滚动轴承内外圈的滚道，其通过光学显微镜、硬度仪、表面粗糙度仪和X射线衍射仪分析经UNSM技术修复的轴承内外圈滚道。结果表明，修复后的轴承内外圈滚道表面形貌得到改善，表面粗糙度降低，滚道表面硬度显著提高，残余压应力提高，残余压应力的影响层增大。

下面重点介绍文献[5]研究的UNSM技术对滚针轴承和角接触球轴承疲劳寿命的影响，因为所有的技术努力，最终的目标是实现材料寿命提高。在UNSM技术中将碳化钨球连接到超声变幅杆，变幅杆以20 kHz的频率撞击表面(图1)。撞击也可称为微冷锻，使表层产生严重的塑性和弹性变形，从而产生纳米晶结构和深层残余压应力。此外，撞击还会使试样表面产生可控的微凹坑，改善相对运动中相互作用表面间的摩擦学特性。在弹流润滑或混合润滑的情况下，这些微凹坑可看做流体动压轴承；在润滑不足的情况下，可储存润滑剂；在滑动/滚动润滑条件下，可储存磨损碎屑。根据著名的Hall-Petch关系，经UNSM处理后在表层产生的纳米结构可同时改善试样的强度(硬度)和延展性(韧性)。

分别制定滚针轴承和角接触球轴承的疲劳寿命试验方案（详细内容请参考文献[5]），对未经UNSM处理和经过UNSM（确定处理的最佳参数）处理的轴承进行检测和试验，结果表明：

1)经UNSM处理轴承的表面粗糙度由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数和耐磨性得到改善。

3)相比于未经处理轴承，经UNSM处理轴承在1484 MPa接触应力下的最长疲劳寿命提高了70.1%。

4)未经处理和经UNSM处理角接触球轴承的疲劳寿命分别为11.176x10⁶和14.527x10⁶ r(疲劳寿命提高约29.9%)。

5)UNSM处理产生的残余压应力在提高轴承疲劳寿命中起主导作用。