铁路货车双列圆锥滚子轴承接触疲劳机理

陈广胜，左红磊，刘晓明，孟婧

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471003；2.铁道部驻西安验收室，西安 710000）

1 润滑脂对接触疲劳的影响

铁路货车双列圆锥滚子轴承采用油脂作为润滑剂，其类型由原来的铁道滚动轴承Ⅱ型脂，逐步优化为铁道滚动轴承Ⅳ型脂，为配套近期研制成功的大轴重轴承，又研制出了运动黏度更加稳定的铁道滚动轴承Ⅴ型脂。

根据麻点产生机理，当轴承工作表面出现划痕或微裂纹时，在接触压力产生的高压油波作用下，黏度低于一定值的润滑脂（油）快速进入表面裂纹（划痕），对其内壁产生强大的液体冲击。同时，接触面又将裂纹（划痕）的开口封住，使其内部的油压进一步增高，裂纹向纵深扩展。裂纹的缝隙愈大，划痕愈深，作用在其内壁上的压力也愈大，裂纹与其表面之间的小块金属如同悬臂梁一样受到弯曲作用，当其根部强度不足时，悬臂梁就会折断，轴承工作表面形成小坑，产生麻点、剥落。因此，选用合适的稳定润滑脂，并保证轴承在高速重载及一定温度条件下的运行过程中保持一定的实际黏度，使润滑脂（油）不易进入裂纹（划痕），从而控制麻点、剥落的产生。

2 表面粗糙度对接触疲劳的影响

表面粗糙度对接触疲劳的影响可用微观麻点理论解释。由于实际加工表面为微凸体接触，使理想光滑表面上的Hertz应力分布发生了调幅现象，从而使一个椭圆分布的应力场变成了分散的多个微观应力场，产生了微观麻点，进而成为宏观麻点及裂纹［1］。由此可知，光滑的接触表面不易产生麻点，利于延长接触疲劳寿命。因此，铁路货车轴承工作面（内圈滚子引导面、滚道面、滚子外径面）磨超加工后的表面粗糙度Ra应控制在0.25μm以下。为了防止铁路货车轴承在空气中腐蚀、氧化、锈蚀等，对轴承零件表面进行磷化防腐处理，但磷化后内圈滚子引导面和滚道面的表面粗糙度值增加。实践证明，磷化后表面粗糙度Ra应控制在0.6μm以下。

3 热处理对接触疲劳的影响

对于GCr15钢制滚动体，淬火及低温回火后的显微组织为隐针（晶）马氏体和细粒状碳化物。马氏体的碳浓度以0.5%为宜［2］，固溶体的碳浓度越高，已形成粗针状的马氏体脆性越大，且残余奥氏体量增多，接触疲劳寿命降低；反之，则基体的强度、硬度降低，影响轴承的接触疲劳寿命。滚动体中的未溶碳化物以小、匀、圆为宜。

对于渗碳钢制的套圈，也要求渗碳层中的马氏体和碳化物细小且均匀分布，以提高接触疲劳寿命。若套圈表面脱碳，则降低了强度和表面硬度，影响接触疲劳寿命。适当增加渗碳层的厚度，可以使疲劳裂纹在硬化层内产生，避免其在硬化层和心部之间的过渡区域产生。套圈心部的强度和硬度影响渗碳层与基体的过渡梯度，在套圈有效壁厚一定的情况下，心部硬度越高，渗碳层与基体的过渡梯度越小，连接处产生的拉应力越小；反之，渗碳层与基体的过渡梯度越大，连接处产生的拉应力越大。因此，适当提高套圈心部的强度和硬度，有利于提高轴承接触疲劳寿命。在实际生产中，铁路货车轴承套圈的心部硬度一般控制在35～48 HRC，心部组织为均匀的板条马氏体，避免出现托氏体或曲氏体等非正常组织。

另外，一定含量的残余奥氏体可以改善接触疲劳性能。在接触应力的作用下，含残余奥氏体的工件接触表面易产生塑性变形，接触宽度增大，单位面积上的接触应力降低，因而可提高接触疲劳寿命。塑性变形会造成加工硬化，为了缓和接触应力，残余奥氏体含量应控制在10% ～25%，如果超过30%，则硬度和强度大大减小，反而会降低轴承的接触疲劳寿命。

4 材料纯净度对接触疲劳的影响

起源于表层内的疲劳剥落多与轴承材料的纯净度有关，根据理论计算分析的结果，在滚道表面下1 mm左右的范围内，由于接触应力而产生的剪切应力达到最大值，在该区域内，如果存在材料微观缺陷（夹杂物、孔洞等），则会萌生疲劳裂纹。尤其是当微观缺陷位于轴承相对薄弱的位置时，产生裂纹的概率将大大增加。

长期的生产经验证明，采用高纯度的钢材是提高铁路货车滚动轴承接触疲劳寿命的关键。冶炼方法的影响主要反映在钢中的非金属夹杂物及气体含量上。非金属夹杂物破坏了金属的连续性，容易形成应力集中，引发疲劳裂纹。钢中氢气容易引起氢脆和氢致裂纹。氮原子和氯化物起钉扎位错运动的作用，从而促进裂纹的萌生。因此，生产轴承钢时，不但要尽量减少非金属夹杂物与气体的含量，还要严格控制均匀而弥散的第二相质点。

5 表面应力状态对接触疲劳的影响

不论采用何种加工方式，加工后的轴承零件表面均有不同程度的残余应力。若零件表面层为残余压应力，不易产生裂纹，对已有裂纹的扩展可起抑制作用，使轴承的接触疲劳寿命增长；若零件表面层为残余拉应力，效果相反。由于渗碳热处理工艺的不同，渗碳层既会产生拉应力，也会产生压应力（渗碳淬火后一般是残余压应力）。磨削加工多产生拉应力，超精加工产生压应力。

为使铁路货车轴承零件工作表面层处于良好的压应力状态，采用渗碳热处理工艺，且二次淬、回火后对其进行喷砂（棕刚玉）强化处理，进一步增大压应力值；在轴承磨削加工阶段，尽可能减小拉应力值，使其小于磨削前工件的压应力值。另外，零件工作表面需进行超精加工。目前，滚道面、滚动体外径面已普遍采取超精加工，但内圈滚子引导面的超精还有待于推广和普及。

另外，零件表面的不完整性，如划伤、磕碰伤等都会改变工件表面层的应力状态，降低轴承的接触疲劳寿命，在生产过程中应予以有效控制。

6 表面加工变质层对接触疲劳的影响

热处理后，零件表面存在一定深度的氧化层、脱碳（贫碳）层，影响其表面硬度、表面组织等性能指标。因此，热处理后的磨削留量不应太小，以保证后续加工将热处理的氧化、脱碳（贫碳）层去除，使零件表面展现最佳性能。

在磨削过程中，由于大量磨削热的产生，工件表面会出现一定深度烧伤层，而轻微的烧伤利用酸洗的方法无法检出。烧伤层降低了零件的表面硬度，改变了表面层的组织，降低了其抗接触疲劳性能。因此，要严格控制磨削速度，加强磨削烧伤的检验。

磷化处理时，磷化层是具有一定深度的电化学腐蚀层［3］。因此，磷化层不易过厚，一般控制在0.002～0.01 mm。另外，磷化过程应按特殊过程控制，严格控制磷化过程的工艺参数和作业人员，否则，金属基体极易出现过腐蚀，严重影响轴承的接触疲劳寿命，使轴承在极短时间内失效。

7 结束语

铁路货车轴承产生接触疲劳过程极其复杂，除了文中分析的影响因素以外，还与工况条件（如载荷、速度、摩擦力、润滑等）、材料的金属流线、环境条件（温湿度、粉尘、酸碱度、氢原子等）有关，有待进一步研究。