鐵路貨車雙列圓錐滾子軸承接觸疲勞機理

陳廣勝，左紅磊，劉曉明，孟婧

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471003；2.鐵道部駐西安驗收室，西安 710000）

1 潤滑脂對接觸疲勞的影響

鐵路貨車雙列圓錐滾子軸承采用油脂作為潤滑劑，其類型由原來的鐵道滾動軸承Ⅱ型脂，逐步優化為鐵道滾動軸承Ⅳ型脂，為配套近期研制成功的大軸重軸承，又研制出了運動黏度更加穩定的鐵道滾動軸承Ⅴ型脂。

根據麻點產生機理，當軸承工作表面出現劃痕或微裂紋時，在接觸壓力產生的高壓油波作用下，黏度低于一定值的潤滑脂（油）快速進入表面裂紋（劃痕），對其內壁產生強大的液體沖擊。同時，接觸面又將裂紋（劃痕）的開口封住，使其內部的油壓進一步增高，裂紋向縱深擴展。裂紋的縫隙愈大，劃痕愈深，作用在其內壁上的壓力也愈大，裂紋與其表面之間的小塊金屬如同懸臂梁一樣受到彎曲作用，當其根部強度不足時，懸臂梁就會折斷，軸承工作表面形成小坑，產生麻點、剝落。因此，選用合適的穩定潤滑脂，并保證軸承在高速重載及一定溫度條件下的運行過程中保持一定的實際黏度，使潤滑脂（油）不易進入裂紋（劃痕），從而控制麻點、剝落的產生。

2 表面粗糙度對接觸疲勞的影響

表面粗糙度對接觸疲勞的影響可用微觀麻點理論解釋。由于實際加工表面為微凸體接觸，使理想光滑表面上的Hertz應力分布發生了調幅現象，從而使一個橢圓分布的應力場變成了分散的多個微觀應力場，產生了微觀麻點，進而成為宏觀麻點及裂紋［1］。由此可知，光滑的接觸表面不易產生麻點，利于延長接觸疲勞壽命。因此，鐵路貨車軸承工作面（內圈滾子引導面、滾道面、滾子外徑面）磨超加工后的表面粗糙度Ra應控制在0.25μm以下。為了防止鐵路貨車軸承在空氣中腐蝕、氧化、銹蝕等，對軸承零件表面進行磷化防腐處理，但磷化后內圈滾子引導面和滾道面的表面粗糙度值增加。實踐證明，磷化后表面粗糙度Ra應控制在0.6μm以下。

3 熱處理對接觸疲勞的影響

對于GCr15鋼制滾動體，淬火及低溫回火后的顯微組織為隱針（晶）馬氏體和細粒狀碳化物。馬氏體的碳濃度以0.5%為宜［2］，固溶體的碳濃度越高，已形成粗針狀的馬氏體脆性越大，且殘余奧氏體量增多，接觸疲勞壽命降低；反之，則基體的強度、硬度降低，影響軸承的接觸疲勞壽命。滾動體中的未溶碳化物以小、勻、圓為宜。

對于滲碳鋼制的套圈，也要求滲碳層中的馬氏體和碳化物細小且均勻分布，以提高接觸疲勞壽命。若套圈表面脫碳，則降低了強度和表面硬度，影響接觸疲勞壽命。適當增加滲碳層的厚度，可以使疲勞裂紋在硬化層內產生，避免其在硬化層和心部之間的過渡區域產生。套圈心部的強度和硬度影響滲碳層與基體的過渡梯度，在套圈有效壁厚一定的情況下，心部硬度越高，滲碳層與基體的過渡梯度越小，連接處產生的拉應力越小；反之，滲碳層與基體的過渡梯度越大，連接處產生的拉應力越大。因此，適當提高套圈心部的強度和硬度，有利于提高軸承接觸疲勞壽命。在實際生產中，鐵路貨車軸承套圈的心部硬度一般控制在35～48 HRC，心部組織為均勻的板條馬氏體，避免出現托氏體或曲氏體等非正常組織。

另外，一定含量的殘余奧氏體可以改善接觸疲勞性能。在接觸應力的作用下，含殘余奧氏體的工件接觸表面易產生塑性變形，接觸寬度增大，單位面積上的接觸應力降低，因而可提高接觸疲勞壽命。塑性變形會造成加工硬化，為了緩和接觸應力，殘余奧氏體含量應控制在10% ～25%，如果超過30%，則硬度和強度大大減小，反而會降低軸承的接觸疲勞壽命。

4 材料純凈度對接觸疲勞的影響

起源于表層內的疲勞剝落多與軸承材料的純凈度有關，根據理論計算分析的結果，在滾道表面下1 mm左右的范圍內，由于接觸應力而產生的剪切應力達到最大值，在該區域內，如果存在材料微觀缺陷（夾雜物、孔洞等），則會萌生疲勞裂紋。尤其是當微觀缺陷位于軸承相對薄弱的位置時，產生裂紋的概率將大大增加。

長期的生產經驗證明，采用高純度的鋼材是提高鐵路貨車滾動軸承接觸疲勞壽命的關鍵。冶煉方法的影響主要反映在鋼中的非金屬夾雜物及氣體含量上。非金屬夾雜物破壞了金屬的連續性，容易形成應力集中，引發疲勞裂紋。鋼中氫氣容易引起氫脆和氫致裂紋。氮原子和氯化物起釘扎位錯運動的作用，從而促進裂紋的萌生。因此，生產軸承鋼時，不但要盡量減少非金屬夾雜物與氣體的含量，還要嚴格控制均勻而彌散的第二相質點。

5 表面應力狀態對接觸疲勞的影響

不論采用何種加工方式，加工后的軸承零件表面均有不同程度的殘余應力。若零件表面層為殘余壓應力，不易產生裂紋，對已有裂紋的擴展可起抑制作用，使軸承的接觸疲勞壽命增長；若零件表面層為殘余拉應力，效果相反。由于滲碳熱處理工藝的不同，滲碳層既會產生拉應力，也會產生壓應力（滲碳淬火后一般是殘余壓應力）。磨削加工多產生拉應力，超精加工產生壓應力。

為使鐵路貨車軸承零件工作表面層處于良好的壓應力狀態，采用滲碳熱處理工藝，且二次淬、回火后對其進行噴砂（棕剛玉）強化處理，進一步增大壓應力值；在軸承磨削加工階段，盡可能減小拉應力值，使其小于磨削前工件的壓應力值。另外，零件工作表面需進行超精加工。目前，滾道面、滾動體外徑面已普遍采取超精加工，但內圈滾子引導面的超精還有待于推廣和普及。

另外，零件表面的不完整性，如劃傷、磕碰傷等都會改變工件表面層的應力狀態，降低軸承的接觸疲勞壽命，在生產過程中應予以有效控制。

6 表面加工變質層對接觸疲勞的影響

熱處理后，零件表面存在一定深度的氧化層、脫碳（貧碳）層，影響其表面硬度、表面組織等性能指標。因此，熱處理后的磨削留量不應太小，以保證后續加工將熱處理的氧化、脫碳（貧碳）層去除，使零件表面展現最佳性能。

在磨削過程中，由于大量磨削熱的產生，工件表面會出現一定深度燒傷層，而輕微的燒傷利用酸洗的方法無法檢出。燒傷層降低了零件的表面硬度，改變了表面層的組織，降低了其抗接觸疲勞性能。因此，要嚴格控制磨削速度，加強磨削燒傷的檢驗。

磷化處理時，磷化層是具有一定深度的電化學腐蝕層［3］。因此，磷化層不易過厚，一般控制在0.002～0.01 mm。另外，磷化過程應按特殊過程控制，嚴格控制磷化過程的工藝參數和作業人員，否則，金屬基體極易出現過腐蝕，嚴重影響軸承的接觸疲勞壽命，使軸承在極短時間內失效。

7 結束語

鐵路貨車軸承產生接觸疲勞過程極其復雜，除了文中分析的影響因素以外，還與工況條件（如載荷、速度、摩擦力、潤滑等）、材料的金屬流線、環境條件（溫濕度、粉塵、酸堿度、氫原子等）有關，有待進一步研究。