1.1 研究背景

轴承作为一种回转支承零件，在航空航天，重型机械，汽车方面具有广泛应用。但是轴承尤其是高速精密轴承在服役过程中，轴承的滚动体与滚道之间的接触面、滚动体和保持架兜孔之间的接触面以及滚子端面与套圈引导挡边之间的接触面等，会不可避免地发生滑动摩擦^[1]。于是滚动体与套圈之间就会产生磨损，导致轴承几何精度下降，受力情况发生变化，最终导致轴承噪音增加，寿命降低。因此，随着轴承的服役工况变得更加复杂，对滚动轴承的耐磨性能就提出了更加严格的要求。

GCr15轴承钢是一种合金含量较少、具有良好综合性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢，广泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防工业等领域^[2]。但是普通GCr15轴承钢在服役过程中，磨损破坏也是常见的失效形式之一^[3]。所以如何改善GCr15轴承钢的耐磨性能从而提高滚动轴承的寿命，已经成为一项关键性技术问题。目前常用以提高普通GCr15轴承钢耐磨性能的方法有热处理、表面渗碳、细化晶粒等方法，但这些手段耗能严重、工序复杂，均是从后处理工艺方向对耐磨性做出改善，未能从轴承钢原材料方面从根本上解决问题。所以为了预防GCr15轴承钢因其耐磨性能较差所导致的磨损失效情况出现，有必要通过其他方式来强化普通GCr15轴承钢的摩擦性能。

有关稀土在钢中的作用，已经有学者做了大量的研究工作，取得了非常重要的成果。目前根据马杰、刘芳^[4]的相关研究报道表明：稀土元素在钢中有净化作用^[5]、变质作用^[6]、细化晶粒^[7]等作用，并且稀土可以改善钢的疲劳性能，提高铸钢的强度和塑性、韧性以及耐磨性。但是这些研究都较为宽泛而乏有深度，目前针对稀土在轴承钢的摩擦磨损性能方面作用的研究还鲜有报道，所以开展GCr15稀土轴承钢的摩擦磨损行为研究，对于揭示GCr15稀土轴承钢摩擦磨损规律，促进稀土元素对轴承材料耐磨性能作用机理的相关研究有重大意义。

1.2 研究现状

为改善普通GCr15轴承钢的摩擦磨损性能，国内外学者在这方面做了大量研究工作。目前常用来提高GCr15轴承钢的耐磨性能的方法有热处理工艺方法、离子注入及碳氮共渗工艺方法、晶粒细化工艺方法^[2]。基于传统的热处理方法，国内学者陈叶青等人^[8]研究了深冷处理对GCr15轴承钢组织及力学性能的影响，他们发现增加深冷处理工序后，GCr15轴承钢的耐磨性均有不同程度的提高，淬火 深冷 回火工艺处理试样的耐磨性最好，其磨损量比淬火 回火工艺处理试样的磨损量降低了6%。除了传统的改善GCr15轴承钢的摩擦磨损性能方法外，国内学者还发现预先冷轧对轴承钢的摩擦磨损特性也有一定影响。王丰、钱东升等人^[9]研究了预先冷轧对M50轴承钢的溶解、析出和干磨行为的影响，他们发现预先冷轧不仅增强了初生碳化物的溶解，而且还有助于碳化物析出，轴承钢中的碳化物会严重影响M50的干摩擦行为。对于新型表面涂层技术，国外学者Ghulam Moeen Uddin等人^[10]开展了AISI 52100轴承钢表面TiN涂层摩擦学和力学性能的试验研究，他们发现在AISI 52100基板上厚度超过2.83mm且基板表面粗糙度在0.2±0.05mm范围内的TiN涂层会更耐磨并且摩擦系数最低。

对于稀土元素对于钢的性能方面影响的研究，在20世纪70年代就已经有文章记载^[11]。随着时代的发展，稀土元素对轴承刚性能方面作用的研究也有了更加长足地发展。Yafeng Lian等人^[12]较早地开展了GCr15轴承钢植入铈后的摩擦学行为研究，他们发现随着铈注入剂量的增加，植入试件的耐磨性明显提高，摩擦系数随之减小，注入离子铈使干摩擦下的耐磨性提高了0.1-4.2倍。近年来Z. Sun等人^[13]开展了M50NiL钢在等离子渗碳时添和不添加稀土两种情况下的组织和力学性能比较研究，他们发现：稀土原子可以扩散到M50NiL钢表面，改变了氮碳共渗层的表面形貌，增加了氮碳共渗层的表面硬度、层厚度和改性层的碳含量；添加和不添加稀土的等离子氮碳共渗试样的磨损机理的差异主要在表面形态，相比例和改性层硬度的不同。Chaoyun Yang等人^[14]研究了稀土元素对高碳铬轴承钢夹杂物和冲击韧性的影响，他们发现添加稀土可以提高轴承钢的横向冲击韧性和各向同性，对于稀土合金化改性高碳铬轴承钢，稀土含量的增加不断提高横向和纵向冲击韧性，直至添加过量稀土。北京航空航天大学的许越^[15]研究了稀土渗碳对GCr15 钢激光熔凝层摩擦行为的作用，结果表明稀土渗碳使GCr15 轴承钢表面激光熔凝改性层的摩擦系数有所下降且在整个摩擦过程中波动较小且有降低磨损失重作用；稀土渗碳层的磨损形式为梨削磨损, 而稀土渗碳激光熔凝处理的改性层则属于局部擦伤型磨损。吉林大学的宋波^[16]进行了AM60镁合金的稀土改性及摩擦磨损行为研究，结果发现随着稀土含量的增加，镁合金的耐磨性显著提高，并且添加 Nd-Y 混合稀土的合金的耐磨性优于添加单一稀土Nd的合金，摩擦系数也较低。

虽然目前对于轴承钢的摩擦磨损行为已经有了较为广泛的研究，并且已经有很多提升其耐磨性的新途径，比如预冷轧、交替磁处理以及各种表面改性的方法，但对于稀土元素对GCr15轴承钢的摩擦磨损行为影响的研究仍然较少。

1.3研究目的及意义

为了解决滚动轴承的耐磨性问题，本课题将从优化轴承钢原材料的角度出发，以提高轴承钢的耐磨性能。该课题以新型GCr15稀土轴承钢为研究对象，从摩擦学角度分析GCr15轴承钢在不同摩擦条件下摩擦层的组织演变规律，探讨稀土元素对GCr15轴承钢摩擦行为的作用机理。该研究将为GCr15轴承钢摩擦磨损研究提供科学依据，以促进我国滚动轴承耐磨性研究和制造的发展，为轴承材料技术研发提供科学支撑。

2.1 基本内容

（1）设计实验方案，确定实验试样的材料、形状、尺寸、数量，实验条件、实验设备、测试方法、表征手段。

（2）测试与观察磨损试样的显微组织结构，对比不同磨损试样的显微组织结构的的差别以及组织演变情况；计算磨损试样的摩擦系数和磨损率，比较分析不同磨损试样的摩擦系数、磨损率的差别；表征观察不同磨损试样的磨损表面和磨损表面横截面，以判断不同磨损试样之间磨损机理的差异。

（3）在分析实验数据和表征实验磨损试样微观组织时，主要分微观组织和耐磨性能分两个方面，从相变行为和摩擦行为两个方向切入。在分析磨损试样的相变行为时，要注重分析试样基体中碳化物的含量和成分，以及马氏体的结构和成分。在分析试样的摩擦行为时，要注重表层分析和亚表层分析，分别从表层磨损形貌、表层氧化物，断面形貌、断面元素分析入手。

（4）对实验结果综合分析，结合微观组织的相变行为和耐磨性能的摩擦行为

，深入探讨稀土元素对GCr15轴承钢摩擦行为的作用机理。

2.2 研究目标

本课题以新型GCr15稀土轴承钢为研究对象，从摩擦学角度分析讨论在铸造时添与不添加稀土的GCr15轴承钢在不同摩擦条件下的摩擦磨损性能差异，分析稀土元素对GCr15轴承钢的摩擦系数、磨损率、摩擦层表层和亚表层组织演变规律以及相变行为等方面的影响，探讨稀土元素对GCr15轴承钢摩擦行为的作用机理。

2.3 技术方案

[1]王林梅. 提高轴承钢性能的热处理工艺研究: [西南交通大学硕士学位论文]. 西南交通大学, 2008, 4-5.

[2]王小飞，向国权. GCr15的耐磨性研究现状及展望. 煤矿机械, 2009,30(9):16-18.

[3]李昭昆, 雷建中, 徐海峰. 国内外轴承钢的现状与发展趋势. 钢铁研究学报, 2016, 28(3):1-12.

[4]马杰, 刘芳. 稀土元素在钢中的作用及对钢性能的影响. 钢铁研究, 2009, 37(3):54-56

[5]王龙妹, 杜挺, 卢先利. 微量稀土元素在钢中的作用机理及应用研究. 稀土, 2001, 22(4):37-40.

[6]杜挺.稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用. 金属学报, 1997 ,33(1):69-77.

[7]周惦武, 彭平.微量稀土元素在钢中的应用与研究. 铸造设备研究, 2004 ,(3):35-38 .

[8]陈叶青, 吴益文, 秦子威. 深冷处理对GCr15轴承钢组织及力学性能的影响. 机械工程材料, 2018, 42(05):55-58 62.

[9] Feng Wang, Dongsheng Qian, Lin Hua, Xiaohui Lu.The effect of prior cold rolling on the carbide dissolution, precipitationand dry wear behaviors of M50 bearing steel[J] TribologyInternational, 2019, 132(2019):253-264.

[10] Uddin G M , Khan A A , Ghufran M. Experimentalstudy of tribological and mechanical properties of TiN coating on AISI 52100bearing steel[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2018, 10(9).

[11] Waudby P E . Rare earthadditions to steel[J]. Metallurgical Reviews, 1978, 23(1):74-98.

[12]Lian Y, Xue Q, Wang H. The tribological behaviour of GCr15 bearing steelimplanted with cerium[J]. Surface and Coatings Technology, 1995,73(1-2):98-104.

[13] Sun Z, Zhang C S, Yan M F. Microstructure and mechanical propertiesof M50NiL steel plasma nitrocarburized with and without rare earthsaddition[J]. Materials amp; Design, 2014, 55(6):128-136.

[14] Yang C, Luan Y, Li D. Effects of rare earthelements on inclusions and impact toughness of high-carbon chromium bearingsteel, Journal of Materials Science and amp; Technology(2019), https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.01.015.

[15]许越, 张勇, 赵连城. 稀土渗碳对GCr15钢激光熔凝层摩擦行为的作用. 材料科学与工艺, 2004, 12(2):153-155.

[16]宋波. AM60镁合金的稀土改性及摩擦磨损行为研究: [吉林大学博士学位论文]. 吉林大学, 2006,122-124.