國外高鐵軸箱軸承原材料及熱處理質量分析

張玲，仵永剛，廉小敏

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；3. 西安鐵路局西安機車車輛監造項目部，西安 710086)

目前，中國高速鐵路的跨越性發展帶動了高速鐵路列車基礎核心零部件市場需求的快速增長,但作為基礎精密配件的高鐵軸箱軸承，我國目前還主要依靠進口，所用的原材料及設計、生產、制造等方面均處于研發中。為了加快高鐵軸承國產化，提高國內高鐵軸承的可靠性及使用壽命，近年來，國內也開展了相關研究，了解和掌握國外高鐵軸承原材料及熱處理質量對于高鐵軸承的國產化具有非常重要的意義。

1 原材料質量檢驗與分析

時速350公里的高鐵軸箱軸承分為雙列圓柱和雙列圓錐2種類型。以國外具有代表性的高鐵軸箱軸承樣品(圖1)為例進行分析，其中1#為雙列圓柱滾子軸承，2#和3#為雙列圓錐滾子軸承。

圖1 國外高鐵軸承外觀

1.1 化學成分對比

采用瑞士ARL4460直讀光譜儀、ICAP6000等離子體光譜儀和氮氫氧分析儀，參照GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》、TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動軸承》和GB/T 3203—1982《滲碳軸承鋼 技術條件》，分別對國外3套軸箱軸承樣品套圈及滾子進行化學成分分析，結果見表1。

表1 化學成分

由表1可知，1#樣品外圈的化學成分與GB/T 18254—2016中GCr15成分接近，標準規定Si含量為0.15%～0.35%，而樣品中Si含量僅為0.09%，偏低；內圈的化學成分與TB/T 2235—2010中GCr18Mo以及SKF24(100CrMo7)成分接近；滾子的化學成分與國內的GCr15SiMn接近，但其中C含量偏低，只有0.92%，滾子材料接近于國外的SKF4(100CrMn6)材料標準，SKF4規定C含量為0.95%～1.05%，Cr含量為1.40%～1.65%。對于2#樣品，內外圈及滾子材料化學成分更接近國內高碳鉻軸承鋼GCr15。對于3#樣品，內外圈材料化學成分相當于國內滲碳鋼G20Cr2NiMoA，滾子材料化學成分相當于國內的GCr15。

時速350公里的軸箱軸承樣品中的O含量為(6～16)×10-4%，而對國內鐵路軸承電渣鋼材料的檢測，其中O含量達到(15～30)×10-4%，顯然國內鐵路軸承用原材料與國外存在差距。

1.2 非金屬夾雜及碳化物分布

分別對高鐵軸箱軸承樣品套圈及滾子制取10 mm×10 mm的金相試樣，按照相關標準對樣品的非金屬夾雜及碳化物的不均勻性進行評級。3#樣品套圈采用滲碳鋼，按照GB/T 3203—1982進行檢驗，結果見表2。1#，2#樣品套圈及滾子、3#樣品的滾子均屬于高碳鉻軸承鋼，按照GB/T 18254—2016特級優質鋼非金屬夾雜相應的級別圖進行評級，結果見表3。在對國內原材料檢驗的基礎上，對比國外高鐵軸承非金屬夾雜檢驗結果可知，國外高鐵軸承用高碳鉻軸承鋼與國內用電渣鋼材料質量水平相當，只是國內的Ds評級大都是0.5級，而國外材料無大塊狀的點狀夾雜，評價為0級。從帶狀組織和液析組織檢驗結果可以看出國內外水平相當。軸承鋼中殘留碳化物的含量、分布及尺寸對軸承鋼的壽命也起著至關重要的影響。隨著殘留碳化物含量的降低，軸承鋼的接觸疲勞壽命呈指數級提高，碳化物粒徑越大、分布越不均勻，使用壽命越短。軸承鋼的化學成分控制、碳化物的顆粒尺寸大小、分布狀況與冶煉工藝和冶煉質量密切相關[1]。因此，國內鋼廠在這方面應采用多種手段，保證碳化物顆粒尺寸一致、均勻分布。

表2 滲碳鋼材料質量評定(級)

表3 高碳鉻軸承鋼材料質量評定(級)

軸承在使用過程中滾道面產生剝離主要與脆性夾雜物相關，嚴格控制O，Ti含量可降低該類夾雜物產生的幾率，有利于提高軸承的疲勞壽命。列車運行時軸承在交變應力作用下，套圈中的非金屬夾雜物破壞了金屬的連續性和均勻性，工作表面和近表面上的非金屬夾雜物和材料的基體組織間容易形成疲勞裂紋源，其在應力作用下隨運轉時間的延長逐漸擴展，最終形成疲勞剝落。因此，國內鋼廠有必要提高夾雜物的檢驗要求。

3 熱處理質量檢驗與分析

3.1 金相組織及硬度檢驗

采用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕；采用OLYMPUS GX51 光學顯微鏡對試樣進行觀察，并依據國內相關標準對其顯微組織進行評定。采用洛氏硬度計對套圈的端面硬度及滾子的滾動面硬度進行檢測，采用維氏硬度計檢測滲碳樣件硬化層深度及縱截面的硬度梯度分布。國外高鐵軸承高碳鉻軸承鋼制零件的熱處理質量評定結果見表4，滲碳鋼制零件的熱處理質量評定結果見表5，高鐵軸承零件的組織形貌如圖2所示。

表4 高碳鉻軸承鋼樣品熱處理質量評定

表5 滲碳鋼樣品熱處理質量評價

從金相組織來看，高碳鉻軸承鋼制的國外高鐵軸箱軸承熱處理后的組織有2種：一種是貝氏體類型的組織；另一種為馬氏體類型組織。套圈組織均為貝氏體類型的組織，滾子組織有貝氏體類型，也有馬氏體類型。國外高鐵軸承材料相當于國內滲碳軸承鋼，其熱處理后的組織與鐵路貨車軸承零件金相組織相當。從對多種樣品的解剖觀察來看，國外高碳鉻軸承鋼制造的高鐵軸箱軸承零件均存在不同程度的網狀碳化物，個別零件網狀碳化物還超出了國內相應標準要求，而國內零件的網狀碳化物控制較為穩定。國內組織中馬氏體、貝氏體的粗細程度與國外組織相當。在Ds檢測對比方面，國內采用電渣重熔滲碳軸承鋼和電渣重熔高碳鉻軸承鋼，可以達到國外高鐵軸箱軸承的用料水平，均不小于1級。

圖2 軸承鋼組織形貌

以滲碳鋼制3#國外高鐵軸承內圈為例，檢測試樣表層至心部的硬度分布梯度，對比國內同材質內圈產品的硬度分布情況。內圈縱截面處距離大端面1/3，2/3處硬度的梯度分布如圖3所示。由圖可知，國內產品的硬度稍高于國外同類產品；對于同一零件內圈的硬度差，國外產品和國內產品均不超過1 HRC,兩者相當。

圖3 內圈的硬度梯度分布

3.2 殘余奧氏體檢測

使用Xstress3000型X射線應力分析儀對高鐵軸箱軸承樣品表面進行殘余奧氏體檢測，套圈和滾子均選取滾動面素線上3點，檢測結果見表6。由表可知，高鐵軸箱軸承零件采用高碳鉻軸承鋼制造并經貝氏體等溫淬火，殘余奧氏體含量可達3%以下，與國內水平相當；若為馬氏體淬回火工藝，零件殘余奧氏體含量與國內相當。軸承采用滲碳鋼制造，其零件表層殘余奧氏體含量與國內滲碳鋼零件相當。

表6 殘余奧氏體含量對比

3.3 顯微組織亞結構分析

在1#外圈和滾子上線切割加工10 mm×10 mm×0.5 mm的試樣，采用離子減薄的方法制備試樣，使用JEM-2100高分辨透射電鏡進行分析，樣品組織形貌如圖4所示。由圖可知，外圈下貝氏體形貌特征比較明顯，呈方向性的微小桿狀碳化物分布，大塊未熔碳化物分布在基體上，細小的顆粒狀碳化物的尺寸在0.2～1.0 μm(圖4a)；圖4b中碳化物分布傾向性明顯,具有典型的貝氏體特征；滾子中的桿狀碳化物分布傾向性與套圈相比不太明顯，但含有一些孿晶馬氏體組織(圖4c)。

圖4 1#樣品組織形貌

4 結束語

通過對國外高鐵軸箱軸承零件的全面質量分析，初步掌握了不同廠家軸承套圈、滾動體的選材、非金屬夾雜和碳化物分布、熱處理組織、硬度、晶粒度以及殘余奧氏體含量等指標，進一步明確了國內高鐵軸承零件的研發方向和加工工藝方法，為我國高鐵軸箱軸承的研制提供了技術支持，對高鐵軸箱軸承的國產化具有重大意義。