鐵路軸承安裝時壓裝力偏低的原因分析

李勇，高國慶，楊川，杜偉娟

(西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

1 問題的提出

某廠鐵路軸承采用的材料為G20CrNi2Mo2，處理工藝為：下料→鍛造→鍛造后緩冷→機加工→滲碳(930 ℃×30 h；降溫到870 ℃×3 h；油冷)→低溫回火→淬火(800 ℃×45 min)→低溫回火(170 ℃×4 h)→磨削→回火(140 ℃×5 h)→精磨→磷化。

通常該軸承系通過擠壓安裝到車軸上，為防止軸承使用過程中松動，按照規(guī)定壓裝力要達到88.2～247 kN。該廠生產的軸承在壓裝過程中往往出現壓裝力達不到要求的現象，約90%的軸承壓裝力低于88.2 kN，一般為70～82 kN，個別軸承僅為40kN。國外生產同類軸承的處理工藝基本相同，產品80%可以達到要求，國內其他企業(yè)同類型產品的壓裝合格率也較高。

針對此問題該廠曾進行過多次試驗，得到以下規(guī)律：(1)壓一次不合格，取出再次壓入則合格，壓裝力可以達到120～130 kN；(2)如果不磷化，產品完全合格，壓裝力可以達到180～210 kN，磷化后如果用砂紙輕磨也可以使壓裝力合格；(3)不加入磷酸的軸承一般壓裝力40 kN，加入磷酸后提高到60～80 kN；(4)多年前曾經出現過類似現象，當時采用提高軸承內圈內徑面粗糙度值的方法得到解決，但是目前采用此方法效果不明顯。由上述規(guī)律可以看出，磷化對擠壓力有重要影響。下文將通過對比分析找出磷化組織對軸承安裝壓裝力的影響。

2 試驗方法

分別以國外和國內其他廠家生產的同類軸承產品進行對比分析，測定軸承的表面摩擦系數、磷化層的微觀組織形貌與成分，對比分析造成壓裝力偏低的主要原因。該廠生產的鐵路軸承編號為1#，國內某廠家產品編號為2#，國外某公司的產品編號為3#。

3 試驗結果與分析

3.1 摩擦系數測定結果及分析

用摩擦磨損試驗機分別測定不同廠家鐵路軸承表面的摩擦系數。在壓力為0.98 N下，用對磨件GCr15球和50#鋼分別對1#，2#和3#樣品進行摩擦系數的測定，測得結果如圖1～圖3所示。

圖1 磷化層的摩擦系數(對磨件GCr15球，壓力為0.98 N)

由圖1和圖2可知，不論對磨件是何種材料，摩擦系數基本穩(wěn)定，2#和3#樣品表面的摩擦系數為0.14～0.16，1#樣品表面的摩擦系數為0.18～0.20。由文獻[1]可知，鋼對鋼的摩擦系數為0.6～0.8，故圖1、圖2是磷化層的摩擦系數。1#樣品的摩擦曲線波動小，2#和3#樣品摩擦曲線波動較大，這可能是因為各廠的磷化膜成分結構不同；也可能是1#樣品的磷化膜致密平整或者磷化層厚，在磷化時易在凹坑處形核，減少了表面不平度。

圖2 磷化層的摩擦系數(對磨件50#鋼，壓力為0.98 N)

由圖3可以看出，1#樣品磷化膜在3 500轉左右開始破裂，而2#樣品在800轉左右開始破裂，3#樣品在2 200轉左右開始破裂。磷化膜破裂后試樣摩擦系數上升到0.7～0.8，這與鋼的摩擦系數完全相同。說明1#樣品軸承磷化膜致密且膜層較厚，在摩擦過程中不易破裂。

圖3 磷化層與基體的摩擦系數(對磨件GCr15球，壓力為0.98 N)

理論上，擠壓力應該隨著摩擦系數的增大而增加[2]，1#軸承磷化層的摩擦系數比其他軸承摩擦系數大，其壓裝力也應該更大。但實際試驗測定的加載力僅為0.98 N，加載力遠小于軸承實際安裝時的壓裝力。在低摩擦系數階段測定的僅是磷化層的摩擦系數，實際情況下軸承受到大的壓裝力，磷化膜破裂，因此，實際的摩擦系數應該是磷化膜與基體的復合摩擦系數。圖3中1#樣品這一階段(磷化膜與基體摩擦)曲線過渡平滑且時間較長，說明在相同的壓力下，磷化膜所起的減摩作用更明顯。在實際安裝軸與軸承時，復合摩擦系數相對較小，所以壓裝力偏低。

3.2 磷化膜成分測定結果

分別對3個不同廠家的軸承表面進行能譜分析，結果如圖4所示。從圖中可以看到不同廠家磷化層的成分基本相同，主要是含Mn的磷化鐵結構。3#樣品的磷化層中存在一定量的Cr。由于磷化劑中不存在Cr，測出的Cr可能是因為磷化膜較薄，測到了軸承基體中的Cr。因此，認為摩擦系數不同的主要因素不是磷化層的成分。

圖4 不同廠家軸承磷化層的成分

3.3 磷化層形貌及分析

采用SEM對不同廠家軸承磷化膜形貌進行觀察，結果如圖5所示。由圖可知，不同廠家生產的軸承磷化層形貌和尺寸均不同。2#樣品磷化膜雖然晶粒最細小，但形態(tài)不明顯，孔隙較多，從而使得晶粒之間的結合力弱，摩擦時易破裂磨損。這說明了2#樣品在很短時間內摩擦系數就達到了鋼與鋼的摩擦系數，復合摩擦系數相對較大。3#樣品磷化層晶粒粗大，形態(tài)明顯，相對于1#樣品孔隙較多，結合力弱于1#樣品，也容易破裂。造成其摩擦曲線從磷化膜破裂到軸承基體出現摩擦這一階段波動較大，使得磷化膜的潤滑作用減少，復合摩擦系數也相對較大。1#樣品磷化膜晶粒細小致密，為等軸顆粒狀+棒狀，其抗蝕性能及膜與基體的結合力好[3]，在壓裝過程中膜相對最不易破裂，磷化膜起的潤滑作用更大；并且因磷化膜較厚，也會增加磷化膜的潤滑作用，降低復合摩擦系數，進而導致壓裝力偏低。

圖5 不同廠家軸承磷化層的微觀組織形貌

4 結束語

不同廠家生產的軸承其壓裝力不同的主要原因是：軸承表面的磷化層厚度及形貌不同，造成軸承內圈摩擦系數不同，從而影響壓裝力的大小。1#軸承壓裝力小是由于磷化膜晶粒細小而致密且磷化膜較厚，致使其摩擦系數減小。采取的措施為：降低軸承表面磷化膜的厚度，減少其潤滑作用；改變磷化工藝使磷化膜組織改變。采取這類措施雖可使軸承安裝時的壓裝合格率大大提高，但磷化膜的減摩、潤滑等有益作用得不到充分發(fā)揮。應從其他方面采取措施來提高壓裝力，如增加內圈與軸的過盈量，壓裝前對內圈內徑面進行研磨、砂光處理等。