國外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子材料及熱處理質(zhì)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(shù)中心，河南 洛陽 471039)

盾構(gòu)機(jī)主軸承是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，使用在盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)上，其壽命和可靠性直接影響盾構(gòu)機(jī)械的施工安全。目前，國內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)主軸承市場完全被國外壟斷。要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)技術(shù)國產(chǎn)化，就要自主研發(fā)制造盾構(gòu)機(jī)主軸承。由于盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境惡劣，主軸承受力復(fù)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(lián)合載荷。滾子的性能、可靠性和壽命是決定盾構(gòu)機(jī)主軸承壽命和可靠性的關(guān)鍵因素，因此，了解和掌握國外先進(jìn)企業(yè)盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子的材料和熱處理質(zhì)量對于盾構(gòu)機(jī)主軸承的國產(chǎn)化具有非常重要的意義。

1 化學(xué)分析

采用瑞士ARL 4460直讀光譜儀對國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子樣品的化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1,國內(nèi)滾子材料為GCr18Mo，表中標(biāo)準(zhǔn)值為GB/T 18254—2002要求值。由表可知，國外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子材料的C，Cr，Si及微量元素、雜質(zhì)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(gòu)機(jī)主軸承滾子采用的材料屬于GCr18Mo 高碳鉻軸承鋼。

表1 國內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子化學(xué)成分對比 w,%

由于盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子受力復(fù)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(qiáng)度，因此，要求材料必須具備高的淬透性。國外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子的材料提高M(jìn)n元素的含量，主要是為了提高鋼的淬透性以及強(qiáng)化基體；適當(dāng)提高M(jìn)o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(xué)顯微鏡對國外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子進(jìn)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(diǎn))和屈氏體(深灰色區(qū)域)組織。出現(xiàn)未溶碳化物的原因是在同樣的淬火加熱保溫時(shí)間下，心部的等效保溫時(shí)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(xiàn)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(jìn)行金相分析的目的是確定國外盾構(gòu)機(jī)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(fù)合組織，從而判斷其熱處理工藝方法及參數(shù)。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(nèi)部沉淀的碳化物組成的機(jī)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(tài)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(jìn)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(gòu)機(jī)主軸承滾子試樣進(jìn)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(jìn)行透射電鏡分析。

圖3 取樣位置示意圖

初步觀察發(fā)現(xiàn)，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(shù)不含碳化物的馬氏體，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(gòu)機(jī)主軸承滾子在進(jìn)行等溫淬火時(shí)，為了提高滾子的強(qiáng)度和硬度從而提高滾子承載能力，采取了調(diào)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(fù)合組織。這種復(fù)合組織不僅具有高強(qiáng)度和高硬度，而且具有良好的沖擊韌性，可以滿足盾構(gòu)機(jī)主軸承苛刻的服役條件。

確定材料成分后，可以通過調(diào)整等溫淬火工藝參數(shù)來調(diào)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(wěn)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(shí)間情況下，等溫溫度越低，貝氏體的轉(zhuǎn)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(shí)間 在相同的等溫溫度情況下，等溫時(shí)間越短，貝氏體的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變的因素中[1]，如果調(diào)整加熱溫度和等溫溫度，會(huì)帶來很多不利因素，因此，二者的調(diào)整范圍很小。在進(jìn)行等溫淬火時(shí)，可以通過減少等溫時(shí)間調(diào)整貝氏體和馬氏體相對含量，使貝氏體轉(zhuǎn)變不完全，剩余的奧氏體可以轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而使馬氏體含量增加，提高滾子的強(qiáng)度和硬度。

4 硬度檢查

為了掌握國外盾構(gòu)機(jī)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(jìn)行了硬度檢測，共檢測了8個(gè)點(diǎn)。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(jì)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(jìn)行檢測，共檢測16個(gè)點(diǎn)，檢測結(jié)果見表2。硬度檢測位置如圖7所示。

表2 國外盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子硬度檢測結(jié)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(dāng)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(jìn)行等溫淬火時(shí)，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(shí)，滾子各個(gè)部位的冷卻比較均勻。

由于盾構(gòu)機(jī)主軸承滾子受力復(fù)雜，因此，不但要求滾子具有良好的韌性，還必須具有高強(qiáng)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(jīng)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(gòu)機(jī)主軸承滾子選用的材料以及對其進(jìn)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(xué)性能，但是，如果采用常規(guī)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(gòu)機(jī)主軸承受力要求。

通過調(diào)整等溫淬火工藝參數(shù)，改變等溫淬火后得到貝氏體組織的形態(tài)、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(xì)程度。組織越細(xì)，硬度就越高。組織的粗細(xì)可以通過調(diào)整貝氏體等溫淬火的等溫溫度來調(diào)整。等溫溫度越低，貝氏體組織越細(xì)，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(diào)整等溫淬火的等溫時(shí)間來調(diào)整。等溫時(shí)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(dāng)?shù)乜s短滾子等溫淬火的等溫時(shí)間，以增加組織中馬氏體的含量，最終達(dá)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(gòu)機(jī)主軸承滾子晶粒度分析的結(jié)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(xì)小，達(dá)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(xué)成分及熱處理時(shí)的加熱溫度和保溫時(shí)間。熱處理時(shí)的加熱溫度越高、保溫時(shí)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙,當(dāng)變形到晶界位置時(shí)，會(huì)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(nèi)，因此，晶界越多，鋼的屈服強(qiáng)度越高。晶粒度級別越高，晶粒越細(xì)小，晶界的總面積越大，鋼的屈服強(qiáng)度越高。由于晶界還可以阻止鋼材微細(xì)裂紋的擴(kuò)展，因此，細(xì)小的晶粒還可以提高鋼的韌性。

6 結(jié)束語

通過對國外盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)主軸承的研制提供了技術(shù)支持，對盾構(gòu)機(jī)主軸承的國產(chǎn)化具有重大意義。