国外高铁轴箱轴承原材料及热处理质量分析

2017-07-25张玲仵永刚廉小敏

轴承 2017年7期

张玲，仵永刚，廉小敏

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南洛阳 471039；3. 西安铁路局西安机车车辆监造项目部，西安 710086)

目前，中国高速铁路的跨越性发展带动了高速铁路列车基础核心零部件市场需求的快速增长,但作为基础精密配件的高铁轴箱轴承，我国目前还主要依靠进口，所用的原材料及设计、生产、制造等方面均处于研发中。为了加快高铁轴承国产化，提高国内高铁轴承的可靠性及使用寿命，近年来，国内也开展了相关研究，了解和掌握国外高铁轴承原材料及热处理质量对于高铁轴承的国产化具有非常重要的意义。

1 原材料质量检验与分析

时速350公里的高铁轴箱轴承分为双列圆柱和双列圆锥2种类型。以国外具有代表性的高铁轴箱轴承样品(图1)为例进行分析，其中1#为双列圆柱滚子轴承，2#和3#为双列圆锥滚子轴承。

图1 国外高铁轴承外观

1.1 化学成分对比

采用瑞士ARL4460直读光谱仪、ICAP6000等离子体光谱仪和氮氢氧分析仪，参照GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》、TB/T 2235—2010《铁道车辆滚动轴承》和GB/T 3203—1982《渗碳轴承钢技术条件》，分别对国外3套轴箱轴承样品套圈及滚子进行化学成分分析，结果见表1。

表1 化学成分

由表1可知，1#样品外圈的化学成分与GB/T 18254—2016中GCr15成分接近，标准规定Si含量为0.15%～0.35%，而样品中Si含量仅为0.09%，偏低；内圈的化学成分与TB/T 2235—2010中GCr18Mo以及SKF24(100CrMo7)成分接近；滚子的化学成分与国内的GCr15SiMn接近，但其中C含量偏低，只有0.92%，滚子材料接近于国外的SKF4(100CrMn6)材料标准，SKF4规定C含量为0.95%～1.05%，Cr含量为1.40%～1.65%。对于2#样品，内外圈及滚子材料化学成分更接近国内高碳铬轴承钢GCr15。对于3#样品，内外圈材料化学成分相当于国内渗碳钢G20Cr2NiMoA，滚子材料化学成分相当于国内的GCr15。

时速350公里的轴箱轴承样品中的O含量为(6～16)×10-4%，而对国内铁路轴承电渣钢材料的检测，其中O含量达到(15～30)×10-4%，显然国内铁路轴承用原材料与国外存在差距。

1.2 非金属夹杂及碳化物分布

分别对高铁轴箱轴承样品套圈及滚子制取10 mm×10 mm的金相试样，按照相关标准对样品的非金属夹杂及碳化物的不均匀性进行评级。3#样品套圈采用渗碳钢，按照GB/T 3203—1982进行检验，结果见表2。1#，2#样品套圈及滚子、3#样品的滚子均属于高碳铬轴承钢，按照GB/T 18254—2016特级优质钢非金属夹杂相应的级别图进行评级，结果见表3。在对国内原材料检验的基础上，对比国外高铁轴承非金属夹杂检验结果可知，国外高铁轴承用高碳铬轴承钢与国内用电渣钢材料质量水平相当，只是国内的Ds评级大都是0.5级，而国外材料无大块状的点状夹杂，评价为0级。从带状组织和液析组织检验结果可以看出国内外水平相当。轴承钢中残留碳化物的含量、分布及尺寸对轴承钢的寿命也起着至关重要的影响。随着残留碳化物含量的降低，轴承钢的接触疲劳寿命呈指数级提高，碳化物粒径越大、分布越不均匀，使用寿命越短。轴承钢的化学成分控制、碳化物的颗粒尺寸大小、分布状况与冶炼工艺和冶炼质量密切相关[1]。因此，国内钢厂在这方面应采用多种手段，保证碳化物颗粒尺寸一致、均匀分布。

表2 渗碳钢材料质量评定(级)

表3 高碳铬轴承钢材料质量评定(级)

轴承在使用过程中滚道面产生剥离主要与脆性夹杂物相关，严格控制O，Ti含量可降低该类夹杂物产生的几率，有利于提高轴承的疲劳寿命。列车运行时轴承在交变应力作用下，套圈中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性，工作表面和近表面上的非金属夹杂物和材料的基体组织间容易形成疲劳裂纹源，其在应力作用下随运转时间的延长逐渐扩展，最终形成疲劳剥落。因此，国内钢厂有必要提高夹杂物的检验要求。

3 热处理质量检验与分析

3.1 金相组织及硬度检验

采用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀；采用OLYMPUS GX51 光学显微镜对试样进行观察，并依据国内相关标准对其显微组织进行评定。采用洛氏硬度计对套圈的端面硬度及滚子的滚动面硬度进行检测，采用维氏硬度计检测渗碳样件硬化层深度及纵截面的硬度梯度分布。国外高铁轴承高碳铬轴承钢制零件的热处理质量评定结果见表4，渗碳钢制零件的热处理质量评定结果见表5，高铁轴承零件的组织形貌如图2所示。

表4 高碳铬轴承钢样品热处理质量评定

表5 渗碳钢样品热处理质量评价

从金相组织来看，高碳铬轴承钢制的国外高铁轴箱轴承热处理后的组织有2种：一种是贝氏体类型的组织；另一种为马氏体类型组织。套圈组织均为贝氏体类型的组织，滚子组织有贝氏体类型，也有马氏体类型。国外高铁轴承材料相当于国内渗碳轴承钢，其热处理后的组织与铁路货车轴承零件金相组织相当。从对多种样品的解剖观察来看，国外高碳铬轴承钢制造的高铁轴箱轴承零件均存在不同程度的网状碳化物，个别零件网状碳化物还超出了国内相应标准要求，而国内零件的网状碳化物控制较为稳定。国内组织中马氏体、贝氏体的粗细程度与国外组织相当。在Ds检测对比方面，国内采用电渣重熔渗碳轴承钢和电渣重熔高碳铬轴承钢，可以达到国外高铁轴箱轴承的用料水平，均不小于1级。

图2 轴承钢组织形貌

以渗碳钢制3#国外高铁轴承内圈为例，检测试样表层至心部的硬度分布梯度，对比国内同材质内圈产品的硬度分布情况。内圈纵截面处距离大端面1/3，2/3处硬度的梯度分布如图3所示。由图可知，国内产品的硬度稍高于国外同类产品；对于同一零件内圈的硬度差，国外产品和国内产品均不超过1 HRC,两者相当。

图3 内圈的硬度梯度分布

3.2 残余奥氏体检测

使用Xstress3000型X射线应力分析仪对高铁轴箱轴承样品表面进行残余奥氏体检测，套圈和滚子均选取滚动面素线上3点，检测结果见表6。由表可知，高铁轴箱轴承零件采用高碳铬轴承钢制造并经贝氏体等温淬火，残余奥氏体含量可达3%以下，与国内水平相当；若为马氏体淬回火工艺，零件残余奥氏体含量与国内相当。轴承采用渗碳钢制造，其零件表层残余奥氏体含量与国内渗碳钢零件相当。

表6 残余奥氏体含量对比

3.3 显微组织亚结构分析

在1#外圈和滚子上线切割加工10 mm×10 mm×0.5 mm的试样，采用离子减薄的方法制备试样，使用JEM-2100高分辨透射电镜进行分析，样品组织形貌如图4所示。由图可知，外圈下贝氏体形貌特征比较明显，呈方向性的微小杆状碳化物分布，大块未熔碳化物分布在基体上，细小的颗粒状碳化物的尺寸在0.2～1.0 μm(图4a)；图4b中碳化物分布倾向性明显,具有典型的贝氏体特征；滚子中的杆状碳化物分布倾向性与套圈相比不太明显，但含有一些孪晶马氏体组织(图4c)。