國外盾構機主軸承滾子材料及熱處理質量分析

董漢杰，王明禮，李昭昆，沈偉毅

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

盾構機主軸承是盾構機的關鍵部件，使用在盾構刀盤系統上，其壽命和可靠性直接影響盾構機械的施工安全。目前，國內的盾構機主軸承市場完全被國外壟斷。要實現盾構技術國產化，就要自主研發制造盾構機主軸承。由于盾構機工作環境惡劣，主軸承受力復雜，在重載、變載條件下工作，要承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等聯合載荷。滾子的性能、可靠性和壽命是決定盾構機主軸承壽命和可靠性的關鍵因素，因此，了解和掌握國外先進企業盾構機主軸承滾子的材料和熱處理質量對于盾構機主軸承的國產化具有非常重要的意義。

1 化學分析

采用瑞士ARL 4460直讀光譜儀對國內外盾構機主軸承滾子樣品的化學成分進行檢測，結果見表1,國內滾子材料為GCr18Mo，表中標準值為GB/T 18254—2002要求值。由表可知，國外盾構機主軸承滾子材料的C，Cr，Si及微量元素、雜質元素含量與GCr18Mo相近，但Mn和Mo元素含量偏高，因此，可以判定國外盾構機主軸承滾子采用的材料屬于GCr18Mo 高碳鉻軸承鋼。

表1 國內外盾構機主軸承滾子化學成分對比 w,%

由于盾構機主軸承滾子受力復雜，且滾子尺寸比較大(φ100 mm×100 mm)，為了滿足服役條件，滾子的心部也必須具有高的強度，因此，要求材料必須具備高的淬透性。國外盾構機主軸承滾子的材料提高Mn元素的含量，主要是為了提高鋼的淬透性以及強化基體；適當提高Mo元素含量不僅可以提高淬透性，還可以克服由于Mn元素含量的提高所帶來的回火脆性問題。

2 金相分析

采用OLYMPUS GX51光學顯微鏡對國外盾構機主軸承滾子進行金相組織檢測，表面和心部金相組織分別如圖1和圖2所示。采用的侵蝕劑為4%硝酸酒精溶液。

圖1 表層金相組織

圖2 心部金相組織

對比圖1和圖2可以明顯看出，心部組織中存在大量的未溶碳化物(圖中白色亮點)和屈氏體(深灰色區域)組織。出現未溶碳化物的原因是在同樣的淬火加熱保溫時間下，心部的等效保溫時間比表面短，奧氏體化不夠充分，致使大量的碳化物未溶入奧氏體中。出現屈氏體組織的原因是由于滾子尺寸大，在同樣的冷卻條件下，心部沒有獲得貝氏體所需要的冷卻速度。

對試樣進行金相分析的目的是確定國外盾構機主軸承滾子的組織是馬氏體還是下貝氏體或者是兩者的復合組織，從而判斷其熱處理工藝方法及參數。在低倍金相中，可以清晰看到的黑色針狀組織大多為下貝氏體。下貝氏體是由含碳過飽和的片狀鐵素體和其內部沉淀的碳化物組成的機械混合物。GCr18Mo屬于高碳鋼，淬火后得到的組織為片狀馬氏體(針狀馬氏體)，因此，在金相顯微鏡下，下貝氏體的組織形態與高碳馬氏體極其相似，只有通過電子顯微鏡對其微觀組織進行深入觀察分析才可以做出精確判斷。

3 透射電鏡分析

采用日本電子2100高分辨透射電鏡對國外盾構機主軸承滾子試樣進行分析，取樣位置如圖3所示。試樣尺寸為0.5 mm×10 mm×10 mm，用離子減薄的方法將試樣厚度磨制到200～500 nm，然后進行透射電鏡分析。

圖3 取樣位置示意圖

初步觀察發現，樣品中主要是下貝氏體特征，在板條中有微小碳化物，也有少數不含碳化物的馬氏體，統計結果判斷有80%～90%左右的下貝氏體，有少量的馬氏體和未溶的大塊碳化物。透射電鏡照片如圖4～圖6所示。

圖4 貝氏體特征

圖5 貝氏體特征和未溶碳化物

圖6 貝氏體特征和馬氏體

通過透射電鏡分析可知，國外盾構機主軸承滾子在進行等溫淬火時，為了提高滾子的強度和硬度從而提高滾子承載能力，采取了調整等溫淬火工藝的方法，淬火后得到的不是單一的貝氏體組織，而是以貝氏體為主、含有少量馬氏體的復合組織。這種復合組織不僅具有高強度和高硬度，而且具有良好的沖擊韌性，可以滿足盾構機主軸承苛刻的服役條件。

確定材料成分后，可以通過調整等溫淬火工藝參數來調整貝氏體與馬氏體的相對含量。影響貝氏體含量的主要因素有：

(1)加熱溫度 加熱溫度越高，奧氏體越穩定，等溫淬火后殘余奧氏體的含量越高，貝氏體的含量越少。

(2)等溫溫度 在相同等溫時間情況下，等溫溫度越低，貝氏體的轉變速度越低，殘余奧氏體的含量越高，貝氏體的含量越低。

(3)等溫時間 在相同的等溫溫度情況下，等溫時間越短，貝氏體的轉變越不充分，貝氏體含量越少，馬氏體含量越多。

在影響貝氏體轉變的因素中[1]，如果調整加熱溫度和等溫溫度，會帶來很多不利因素，因此，二者的調整范圍很小。在進行等溫淬火時，可以通過減少等溫時間調整貝氏體和馬氏體相對含量，使貝氏體轉變不完全，剩余的奧氏體可以轉變成馬氏體，從而使馬氏體含量增加，提高滾子的強度和硬度。

4 硬度檢查

為了掌握國外盾構機主軸承滾子的硬度及其分布情況，對滾子的端面由表及里進行了硬度檢測，共檢測了8個點。然后，將滾子沿長度的1/2處切開，磨削剖面，采用洛氏硬度計從其邊緣向滾子的中心依次對滾子的表面硬度、心部硬度及其分布情況進行檢測，共檢測16個點，檢測結果見表2。硬度檢測位置如圖7所示。

表2 國外盾構機主軸承滾子硬度檢測結果

圖7 硬度檢測位置圖

由表2可知，滾子端面的硬度比較高，均在60 HRC以上，且非常均勻，最大硬度差僅為1.1 HRC。

滾子硬度高的原因是國外滾子材料提高了Mn元素的含量并適當提高了Mo元素含量，使鋼的淬透性得以提高；此外，在對滾子進行等溫淬火時，滾子端面冷卻速度比較快。

滾子硬度均勻的原因是國外材料成分和組織非常均勻，并且熱處理時，滾子各個部位的冷卻比較均勻。

由于盾構機主軸承滾子受力復雜，因此，不但要求滾子具有良好的韌性，還必須具有高強度和高硬度才能夠滿足其承受重載的要求。在滾子材料成分已經確定的情況下，滾子的硬度完全取決于其熱處理工藝。從國外盾構機主軸承滾子選用的材料以及對其進行的組織分析可以確定，滾子采用的熱處理工藝主要是貝氏體等溫淬火。貝氏體等溫淬火的目的是得到下貝氏體組織，該組織具有良好的綜合力學性能，但是，如果采用常規的貝氏體等溫淬火處理，得到的組織為100%下貝氏體組織，與馬氏體組織相比，盡管韌性顯著提高，但硬度相對較低，無法滿足盾構機主軸承受力要求。

通過調整等溫淬火工藝參數，改變等溫淬火后得到貝氏體組織的形態、比例以及殘余奧氏體的含量，可以提高等溫淬火硬度。影響等溫淬火后零件硬度的因素主要有：

(1)貝氏體組織的粗細程度。組織越細，硬度就越高。組織的粗細可以通過調整貝氏體等溫淬火的等溫溫度來調整。等溫溫度越低，貝氏體組織越細，硬度越高。

(2)貝氏體的含量，即組織中貝氏體與馬氏體的相對含量。貝氏體含量越高，組織中的馬氏體含量越低，硬度也越低，反之亦然。組織中貝氏體的含量可以通過調整等溫淬火的等溫時間來調整。等溫時間越長，組織中的貝氏體含量越高，馬氏體含量就越低，硬度越低。由此可見，可以適當地縮短滾子等溫淬火的等溫時間，以增加組織中馬氏體的含量，最終達到提高滾子硬度的目的。

(3)殘余奧氏體的含量。殘余奧氏體含量越高，硬度越低。

5 晶粒度分析

國外盾構機主軸承滾子晶粒度分析的結果如圖8所示。試樣位置如圖3所示。采用的侵蝕劑為苦味酸+12烷基苯磺酸鈉+鹽酸水溶液。

圖8 晶粒度

由圖可知，滾子的晶粒度非常細小，達到了GB /T 6394《金屬平均晶粒度測定方法》中的9級。影響晶粒度的因素有很多，最主要的是材料的化學成分及熱處理時的加熱溫度和保溫時間。熱處理時的加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒度越粗大，反之亦然。

鋼的晶粒度對鋼的性能有非常大的影響。由于晶界是位錯運動的障礙,當變形到晶界位置時，會受到比較大的變形阻力，晶界可以把塑性變形限定在一定范圍內，因此，晶界越多，鋼的屈服強度越高。晶粒度級別越高，晶粒越細小，晶界的總面積越大，鋼的屈服強度越高。由于晶界還可以阻止鋼材微細裂紋的擴展，因此，細小的晶粒還可以提高鋼的韌性。

6 結束語

通過對國外盾構機主軸承滾子全面的深入分析，初步掌握了滾子的材料成分、熱處理組織、硬度、晶粒度以及殘余奧氏體含量等，為我國盾構機主軸承的研制提供了技術支持，對盾構機主軸承的國產化具有重大意義。