鐵路客車軸承滾子表面開裂原因分析

包順毅

(南京鋪鎮(zhèn)恩梯恩鐵路軸承有限公司，南京 210031)

NJ(P)3226X1型鐵路客車滾子軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)段修期后進(jìn)行正常檢修時(shí)，經(jīng)磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)個(gè)別滾子滾動(dòng)面上存在一條或數(shù)條大致沿軸向分布的裂紋。滾子材料為GCr15，滾子安裝使用時(shí)間最長(zhǎng)為18個(gè)月，客車行駛里程最高已達(dá)到70萬千米。下文針對(duì)其中4粒裂紋滾子樣品進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 宏觀形貌觀察

對(duì)4粒(編號(hào)為1#～4#)樣品滾子裂紋形貌進(jìn)行了宏觀觀察和磁粉探傷檢驗(yàn)，除裂紋外，其滾動(dòng)面和端面均未發(fā)現(xiàn)其他形式的損傷。1#～4#滾子的裂紋形貌如圖1所示，其中，1#滾子共觀察到10條長(zhǎng)度為4.7～9 mm的裂紋；2#滾子共觀察到4條長(zhǎng)度為4～9.5 mm的裂紋；3#滾子共觀察到11條長(zhǎng)度為3～20 mm的裂紋；4#滾子觀察到2條長(zhǎng)度分別為40和45 mm的裂紋。

圖1 滾子的裂紋形貌

1.2 常規(guī)項(xiàng)目檢驗(yàn)

分別按照TB/T 3010—2001《鐵道車輛滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術(shù)條件》、JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》和TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動(dòng)軸承》質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4粒滾子的化學(xué)成分、硬度、夾雜物及其淬、回火組織進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明滾子的原材料和熱處理質(zhì)量均在合格范圍內(nèi)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 酸洗檢驗(yàn)

對(duì)4粒裂紋滾子按照J(rèn)B/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了冷酸洗，結(jié)果觀察到4粒滾子的滾動(dòng)面上沿圓周方向均存在著多處淺灰白色或亮白色痕跡，亮白色區(qū)邊緣被暗黑色條帶所包圍，裂紋位置均處于淺灰白色或亮白色區(qū)域，為典型的燒傷形貌，其中 3#和4#滾子酸洗后的燒傷形貌如圖2、圖3中箭頭所示部位。

圖2 3#滾子冷酸洗燒傷形貌

圖3 4#滾子冷酸洗燒傷形貌

1.4 斷口分析

采用線切割裝置將4#滾子橫向切開，在保護(hù)原開裂處不被破壞的情況下，將4#滾子裂紋另一端人為斷開，打開后的斷口形貌如圖4所示。觀察斷口可以發(fā)現(xiàn)，橢圓形框內(nèi)(對(duì)應(yīng)圖3中橢圓形框標(biāo)示的表面周向灰白色區(qū)域)兩側(cè)存在放射狀棱線，如圖中箭頭所示方向，根據(jù)其方向可判斷滾子表面燒傷區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)。

圖4 4#滾子裂紋斷口形貌

1.5 裂紋兩側(cè)金相組織檢驗(yàn)

選取4#滾子沿周向的亮白色區(qū)域橫向切開、磨制并采用4%硝酸酒精腐蝕后放置在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)沒有脫碳現(xiàn)象，表層極薄的白亮層為二次淬火馬氏體組織，深度約為10～30 μm，表層下為高溫回火組織，深度約為70～140 μm，基體心部為正常金相組織。裂紋起始于表層二次淬火馬氏體白亮層并向基體擴(kuò)展。圖5所示為4#滾子兩側(cè)金相組織。

圖5 4#滾子兩側(cè)金相組織

由以上檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，鐵路客車軸承，個(gè)別滾子滾動(dòng)面上出現(xiàn)的一條或數(shù)條裂紋與滾子表面產(chǎn)生二次淬火燒傷有關(guān)。

2 燒傷原因分析

2.1 開裂滾子使用情況調(diào)查與分析

鐵路客車軸承是車輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，成對(duì)安裝在軸箱內(nèi)，采用鐵道Ⅳ脂潤(rùn)滑，要承受一定的徑向載荷和軸向載荷，常見的故障主要有工作表面剝落、疲勞裂紋、麻點(diǎn)及電蝕痕等。針對(duì)出現(xiàn)的滾子裂紋情況，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：除個(gè)別滾子有燒傷和裂紋外，軸承其他零件外觀、潤(rùn)滑脂顏色及潤(rùn)滑狀態(tài)均無異常，經(jīng)磁粉探傷確定內(nèi)、外圈表面也未見裂紋；調(diào)取車輛軸溫報(bào)警器記錄的溫度數(shù)據(jù)可知軸箱軸承的溫升亦無異常。對(duì)裂紋滾子滾動(dòng)面采用3%硝酸酒精溶液腐蝕，400倍顯微鏡觀察確認(rèn)滾動(dòng)面上也無電蝕痕跡。由于故障滾子裂紋形態(tài)均為長(zhǎng)短不一的縱向直裂紋，出現(xiàn)的部位也均在滾動(dòng)面上，其燒傷層的分布形態(tài)與電蝕所致也不相同(電蝕層的分布形態(tài)多為圓弧形)，由此可以排除滾子滾動(dòng)面燒傷和開裂是由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中潤(rùn)滑不良或電蝕等原因所致的可能性。

因此可以判定：滾子滾動(dòng)面燒傷是在制造過程中產(chǎn)生的，滾子滾動(dòng)面發(fā)生開裂可能是由于燒傷部位在交變接觸應(yīng)力作用下萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展所致。

2.2 磨削燒傷形成機(jī)理及特征

軸承零件在熱處理后進(jìn)行磨削加工時(shí)，由于磨削熱使零件表面產(chǎn)生高溫，引起表層組織和性能發(fā)生局部變化，這類缺陷通常稱為磨削燒傷[1]。磨削燒傷一般分為兩類：一類是高溫回火型燒傷；另一類是二次淬火型燒傷。

高溫回火型燒傷產(chǎn)生的溫度范圍是在零件的回火溫度以上到鋼的相變臨界點(diǎn)溫度Ac1以下，大約在200～745 ℃。在此溫度下淺表層的馬氏體與殘余奧氏體組織將發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w或索氏體組織，這種組織抗酸腐蝕能力差，經(jīng)冷酸洗后呈暗黑色，故高溫回火型燒傷也稱“黑燒傷”。

二次淬火型燒傷產(chǎn)生的局部瞬時(shí)高溫是在鋼的相變臨界點(diǎn)溫度Ac1以上，約在800 ℃以上，淺表層的馬氏體組織發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變成奧氏體，隨后被切削液冷卻重新淬火，形成二次淬火馬氏體層，這種組織不易受酸的侵蝕，所以在冷酸洗后燒傷表層呈灰白色或亮白色，周圍呈暗黑色，因此，二次淬火型燒傷也稱“白燒傷”。二次淬火型燒傷組織會(huì)在工件表層產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這種應(yīng)力在一定條件下會(huì)誘發(fā)裂紋。磨削過程中，二次淬火燒傷區(qū)域在磨削應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生磨削裂紋，通常磨削裂紋非常微小，肉眼觀察根本無法發(fā)現(xiàn)，必須采用磁粉探傷方法才能識(shí)別。

2.3 滾子加工面燒傷調(diào)查

滾子磨削加工表面包括外徑面和兩個(gè)端面，外徑面磨削工藝是采用貫穿式無心磨床連續(xù)磨削加工，分粗磨、細(xì)磨、精磨和超精4道工序共10次磨超加工完成。

滾子外徑面采用貫穿式無心磨床加工，每次進(jìn)給量小，冷卻條件好，一般不會(huì)產(chǎn)生二次淬火燒傷。精磨外徑工序采用全自動(dòng)數(shù)控?zé)o心磨床，該設(shè)備具有自動(dòng)診斷、報(bào)警和保護(hù)功能，加工過程中一旦發(fā)生異常，設(shè)備會(huì)發(fā)出停止指令，也不可能產(chǎn)生圓周狀的磨削燒傷。調(diào)查粗磨外徑工序，共查閱5 009粒滾子酸洗的檢驗(yàn)記錄，未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象。

滾子端面加工采用臥式雙端面磨床同時(shí)磨削兩端面，分粗磨、細(xì)磨工序。經(jīng)調(diào)查在M775B1臥軸雙端面磨床磨削的滾子中發(fā)現(xiàn)外徑面存在有鋼制套筒拉傷的痕跡，經(jīng)細(xì)磨外徑后酸洗檢查發(fā)現(xiàn)，滾子外徑面有燒傷現(xiàn)象。

2.4 再現(xiàn)試驗(yàn)

針對(duì)無心貫穿式磨削特點(diǎn)，制訂了模擬磨削試驗(yàn)方案，即人為地加大磨削量和磨削速度，砂輪不及時(shí)修整，關(guān)停或減小切削液流量或磨削中突發(fā)停電等試驗(yàn)條件，使磨削區(qū)域的溫度迅速升高，經(jīng)過多次試驗(yàn)，只得到滾子外徑面有啃傷和表面螺旋形黑燒傷。但在雙端面磨床上選用較惡劣的磨削工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)(采用加大端面磨量、使用已磨損的舊套筒、減小切削液流量、砂輪鈍化等試驗(yàn)條件)，結(jié)果在滾子外徑面上產(chǎn)生了一定寬度的燒傷痕跡(圖6)，表明在臥軸雙端面磨床上磨削雙端面會(huì)使?jié)L子外徑面產(chǎn)生二次淬火燒傷。

圖6 磨削雙端面產(chǎn)生的燒傷痕跡

深入分析磨削雙端面工序的磨削原理與特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，在磨削滾子時(shí)，滾子進(jìn)入磨床圓形磨盤上25個(gè)圓柱形套筒內(nèi)，磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)將滾子送入砂輪磨削區(qū)，磨盤與砂輪作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，左、右砂輪同時(shí)對(duì)兩端面進(jìn)行磨削，在磨削時(shí)滾子外徑面與鋼制套筒內(nèi)壁產(chǎn)生很大的摩擦而形成瞬時(shí)高溫，由于套筒與滾子的間隙小，切削液難以及時(shí)冷卻，當(dāng)磨削狀況發(fā)生惡化時(shí)(如端面加工余量過大)，溫度會(huì)迅速升至鋼的相變臨界點(diǎn)溫度以上，待滾子隨磨盤轉(zhuǎn)到下部切削液的回流中時(shí)被快速冷卻，就會(huì)產(chǎn)生二次淬火型燒傷，后續(xù)加工外徑的工序如果表面余量過小，燒傷層組織未能磨去將殘留在滾子表面上。

3 預(yù)防措施

采用臥軸雙端面磨床磨削滾子端面時(shí)，滾子外徑表面容易產(chǎn)生燒傷，防止燒傷的辦法就是要減小套筒內(nèi)壁與滾子外徑表面的摩擦生熱，建議采取的預(yù)防措施有：

(1)調(diào)整工藝流程，加大磨削雙端面后滾子外徑磨削余量。增加粗磨外徑工序，將原粗磨雙端面工序及細(xì)磨雙端面工序調(diào)整至粗磨外徑工序之后；粗磨外徑工序之前，將磨削雙端面后的外徑磨削余量由原0.06～0.08 mm調(diào)整為0.18～0.20 mm，以磨去滾子外徑面的燒傷組織層；

(2)減小滾子雙端面的磨削余量。雙端面余量由原來0.45～0.60 mm調(diào)整為0.20～0.40 mm，制定合理的車加工長(zhǎng)度尺寸，嚴(yán)格控制熱處理后尺寸變化率，保證進(jìn)入雙端面磨削工序的滾子長(zhǎng)度尺寸控制在標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)，減少切削力和套筒內(nèi)壁的摩擦；

(3)改進(jìn)套筒結(jié)構(gòu)。在套筒外表面上制作切削液澆注口，加工時(shí)能夠使切削液順利流入套筒內(nèi)壁，降低摩擦熱量，避免表面燒傷；

(4)加強(qiáng)對(duì)套筒等重要工裝的管理，嚴(yán)格執(zhí)行更換套筒的規(guī)定。當(dāng)磨削雙端面工序加工滾子數(shù)量達(dá)到20～25萬?；驖L子端面跳動(dòng)量超差時(shí)，須更換全部套筒；雙端面磨削后的滾子經(jīng)酸洗檢查(至粗磨外徑工序后)外徑面仍有燒傷現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)更換全部套筒；

(5)完善工藝文件，規(guī)范酸洗檢查標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定酸洗檢查的時(shí)機(jī)、頻次及數(shù)量，明確酸洗發(fā)現(xiàn)燒傷情況的處置要求，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)燒傷質(zhì)量問題。