高鐵用GCr15軸承鋼的熱處理工藝研究進(jìn)展

張 毅, 柴 哲, 孫慧麗, 田保紅,劉 勇, 安俊超, 宋克興

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 洛陽 471003;2.洛陽理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 洛陽 471003;3.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 洛陽 471003)

高速鐵路作為國內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)暮笃鹬?是實(shí)現(xiàn)“人便其行、貨暢其流”的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,為國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展提供了有力保障.但是,其營運(yùn)速度通常高達(dá)250 km/h,機(jī)車牽引系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及軸箱軸承等關(guān)鍵部件的可靠性成為其安全運(yùn)行的制約因素[1-3].

其中,軸箱軸承過盈裝配于輪對的車軸上,將車身重量與載荷傳遞至輪對的同時,對軸頸潤滑、減少摩擦及降低運(yùn)轉(zhuǎn)阻力等方面大有裨益[4].其服役時,通常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力值的工作環(huán)境下高速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),伴有不同程度的拉伸、壓縮、交變、彎曲、剪切等作用,滾動接觸疲勞失效是其工作時的主要損傷形式[5].通常滾子與內(nèi)外圈滾道接觸部分承受周期性交變載荷,接觸表面先出現(xiàn)疲勞剝離,進(jìn)而引發(fā)軸承振動、異響和急劇溫升,甚至熱切軸[6].所以,高速鐵路復(fù)雜的運(yùn)營環(huán)境對車輛軸箱軸承的使用材料及熱處理工藝提出了更苛刻的要求.

高碳鉻軸承鋼具有良好的抗疲勞性能、合適的彈性和韌性、淬回火后硬度高且均勻,并且合金成分易于控制、熱處理方法成熟,在國內(nèi)外機(jī)車軸承制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7].GCr15鋼是高碳鉻軸承鋼的典型代表,該鋼種的熱加工變形性能好,球化退火后有良好的可切削性能,適于制造(壁厚≤12 mm、外徑≤250 mm)各種軸承套圈,以及尺寸范圍較寬的滾動體等機(jī)械零件[8].本文重點(diǎn)綜述國內(nèi)外GCr15鋼熱處理工藝方面的研究進(jìn)展.

1 軸箱軸承

1.1 軸箱軸承結(jié)構(gòu)及使用材料

軸箱軸承結(jié)構(gòu)包括帶擋邊的外圈、承受較高軸向沖擊載荷的圓錐軸承等[4],其基本結(jié)構(gòu)如圖l所示.德國的FAG公司和瑞典的SKF公司大量的實(shí)測試驗表明:當(dāng)列車時速超過240 km,圓錐軸承相較于圓柱滾子軸承,具有更小的摩擦力矩以及溫升低的顯著特點(diǎn)[9].所以,我國高鐵動車組軸箱軸承均采用雙列圓錐滾子軸承,其中,以營運(yùn)速度為300 km級別的CRH3C為例,其軸承的外形尺寸為d×D×B=130 mm×240 mm×160 mm.

高鐵動車組軸箱軸承套圈和滾子所用材料,德國FAG公司、瑞典SKF公司、日本NTN與NSK公司一般采用真空脫氣鋼,我國目前制造鐵路軸承的材料一般采用電渣重熔鋼.原因在于電渣重熔鋼相較于國內(nèi)的真空脫氣鋼,具有更為致密的結(jié)晶條件,且點(diǎn)狀雜質(zhì)細(xì)小彌散,部分高鐵軸承也有采用真空脫氣+電渣重熔鋼[10].

圖1 軸箱軸承結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of axle box bearing

1.2 軸箱軸承的接觸疲勞失效

內(nèi)圈斷裂、內(nèi)外圈擋邊燒損、滾道電蝕、保持架斷裂等癥狀的不可修復(fù)的失效,意味著軸承壽命的終止,甚至導(dǎo)致安全事故.一般情況下,軸箱軸承的主要損傷形式是以交變載荷作用下的疲勞剝落以及摩擦磨損造成的精度喪失為主[11].此外,還有裂紋、壓痕、銹蝕等原因造成軸承的非正常損傷.此種失效形式造成的缺陷在早期并不明顯,但極有可能迅速擴(kuò)展,導(dǎo)致軸承功能完全喪失.

接觸疲勞失效是指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的周期作用引起的失效[12].接觸疲勞剝落起源于軸承工作表面最大循環(huán)應(yīng)力處,隨著疲勞裂紋擴(kuò)展到表面,造成不同程度的剝落形狀,形成點(diǎn)蝕或淺層剝落,進(jìn)而演變成深層剝落.一旦出現(xiàn)剝落后,軸承運(yùn)行就會出現(xiàn)振動、噪音,并伴有急劇溫升,致使軸承疲勞破壞而無法工作.

2 高碳鉻鋼的常規(guī)熱處理

軸承的熱處理包括兩個環(huán)節(jié),預(yù)處理是球化退火,終處理是淬火和低溫回火[13].

2.1 球化退火

熱軋態(tài)交貨的GCr15鋼,在制造前需作球化退火處理.一是球化退火能降低硬度,便于切削加工;二是可以使鐵素體基體上的球狀碳化物顆粒組織細(xì)小彌散,為最終淬火和低溫回火做好組織準(zhǔn)備.合理的球化退火加熱溫度和保溫時間,可以優(yōu)化碳化物尺寸,提高未溶碳化物數(shù)量.一般認(rèn)為GCr15軸承鋼的連續(xù)球化退火處理采用加熱溫度為780～810 ℃,略高于Ac1的奧氏體化溫度[14].另外,冷卻速度一般為10～25 ℃/h,冷卻速度過快,則碳化物顆粒小,處理鋼硬度高,不利于后續(xù)加工;冷卻速度過慢,則碳化物容易發(fā)生粗化.此外,整個工藝耗時在20 h以上[15].

之后,依據(jù)過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn),開發(fā)出等溫球化退火工藝.等溫球化退火是將軸承鋼加熱到略高于Ac1溫度(一般為680～740 ℃)后保溫,再快冷至Ar1溫度以下作等溫處理,隨后出爐空冷至室溫.等溫球化退火工藝縮短了加工時間,一般為10～18 h[16].另一種省時的工藝是周期球化退火[17],即將軸承鋼加熱到略高于Ac1后保溫,快冷到Ar1以下溫度等溫,然后加熱至Ac1后保溫,再快冷到Ar1以下溫度等溫處理,此過程可多次重復(fù)操作.周期球化退火工藝節(jié)省時間,球化效果充分,但控制頻繁,實(shí)際應(yīng)用不多.GCr15軸承鋼三種球化退火工藝見圖2所示.

2.2 馬氏體淬火和低溫回火

近年來國內(nèi)高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火工藝的研究成果主要為:通過調(diào)整淬回火工藝參數(shù)來觀察組織演變和對整體性能的影響,如考量淬火條件對尺寸穩(wěn)定性和變形的相關(guān)性、殘余奧氏體的分解以及淬回火后的疲勞性能與韌性等[18].

淬火和低溫回火屬于決定最終軸承鋼性能的熱處理環(huán)節(jié),通常加熱溫度為Ac1～Accm,見圖3(a).曾伊琪等[19]對GCr15軸承鋼進(jìn)行845 ℃×0.5 h的淬火和185 ℃×4 h的回火處理,觀察到回火組織由回火馬氏體、細(xì)小彌散的碳化物及少量的殘余奧氏體組成.且淬火后立即回火,起到消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織及尺寸的作用.對于精度要求較高的高速鐵路用軸承,一般期望獲得盡量少的殘余奧氏體,以保證尺寸的穩(wěn)定性,如采用較高溫度的回火淬火、進(jìn)行補(bǔ)充水冷或深冷處理等.方琴等[20]比較GCr15軸承鋼常規(guī)球化退火+常規(guī)淬回火(840 ℃淬火、150 ℃回火)熱處理工藝與1 050 ℃固溶處理+700 ℃低溫回火+常規(guī)低溫淬回火工藝發(fā)現(xiàn),常規(guī)球化退火的金相組織中粗大、不規(guī)則的碳化物部分遺傳到淬回火組織中,且淬后組織中殘余奧氏體與片狀馬氏體增多形成淬火顯微裂紋,而預(yù)先固溶處理的試樣經(jīng)過常規(guī)淬回火后,得到細(xì)小均勻彌散分布于基體上的碳化物及少量的殘余奧氏體,獲得宏觀的強(qiáng)韌化效果.趙國華等[21]對GCr15軸承鋼淬火后,進(jìn)行深冷處理+180 ℃×8 h回火后,發(fā)現(xiàn)深冷處理雖使GCr15鋼的沖擊韌性略微降低,卻顯著提高了處理鋼的耐磨性,并有效降低鋼中殘余奧氏體含量.但適量保留殘余奧氏體可提高基體韌性和裂紋擴(kuò)展抗力,可加入奧氏體穩(wěn)定化元素Si,Mn,進(jìn)行穩(wěn)定化處理[22-24].

圖2 GCr15軸承鋼常用球化退火工藝Fig.2 Common spheroid annealing process for GCr15 bearing steel

3 提高軸承性能的熱處理新工藝

20世紀(jì)80年代,軸承行業(yè)對GCr15,GCr18Mo貝氏體淬火工藝及性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.20世紀(jì)90年代初開始逐步在軋機(jī)、機(jī)床、客車軸承上推廣應(yīng)用[25-27].另外,高碳鉻軸承鋼的感應(yīng)加熱表面淬火、TD滲金屬等技術(shù)也得到了長足發(fā)展與應(yīng)用.

圖3 馬氏體淬火與貝氏體等溫淬火示意圖Fig.3 Process Curves of martensite quenching and bainite austempering

3.1 貝氏體等溫淬火

經(jīng)貝氏體等溫淬火的GCr15鋼相較于常規(guī)淬火低溫回火,能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率,具有更高的沖擊韌性和斷裂韌性,尤其適合耐沖擊和潤滑不良的鐵路軸承[28].歐洲和日本的軸承公司已成功商用,國內(nèi)還研發(fā)出更適合于貝氏體淬火的GCr18Mo鋼種.

高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后,其組織由下貝氏體、馬氏體和未溶碳化物組成.張增歧等[29]通過將GCr15鋼經(jīng)860 ℃奧氏體化,再作230 ℃等溫淬火,發(fā)現(xiàn)貝氏體量隨等溫時間的延長而增加,等溫0.5 h和1 h可分別得到約31.4%和57%的貝氏體,獲得全貝氏體用時4 h,工藝流程如圖3(b)所示.與淬回火馬氏體組織相比,具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性,表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力.張增歧等[30]對比等溫淬火與常規(guī)馬氏體淬火低溫回火(160 ℃×3 h),處理后的鋼件沖擊韌性αk提高約1倍以上,貝氏體組織比相同溫度回火的馬氏體組織的沖擊韌性增加25%～50%,斷裂韌性提高20%左右.

3.2 TD滲金屬

利用化學(xué)熱處理法將金屬原子(如Cr,V,Nb,Ti等)熔滲入工件表層的工藝稱為滲金屬[31].滲金屬能在固體、液體、氣體、離子等介質(zhì)中進(jìn)行.目前應(yīng)用最普遍的滲金屬方法是液體法滲金屬,也稱作TD法.TD法的工藝特點(diǎn)是以熔鹽(被滲金屬粉末、活化劑、還原劑等)為載體,通過被滲工件與熔鹽中的懸浮滲金屬原子充分接觸,吸附到工件表面并向內(nèi)部擴(kuò)散形成滲層.表1為不同滲金屬層的性能對比,可見,TD法較適用于對耐腐蝕性、耐磨損能力和疲勞強(qiáng)度要求較高的碳鋼、合金鋼的熱處理,這是由于Cr,V,Nb,Ti等原子與C的親和力比Fe強(qiáng),能從Fe中獲取C原子,并與之形成金屬碳化物滲層.

表1 幾種不同滲金屬層的性能對比Tab.1 Performance comparison on some different metallic permeated layers

根據(jù)熔鹽成分的不同,TD法又包括硼砂熔鹽滲金屬、中性鹽滲金屬,混合鹽浴滲金屬、低溫氯化物鹽浴滲金屬等[32].王華昌等[33]利用脫水硼砂,NaF,V2O5配制熔鹽,Al粉作還原劑,對GCr15進(jìn)行960 ℃×4 h滲V處理,獲得較為理想的VC滲層.研究結(jié)果也表明,V2O5能溶解在熔融硼砂中,利于V原子的擴(kuò)散和吸收,但其局限性在于要求工件基體的含C量在0.45%以上.亓永新等[34]研制的中性熔鹽滲V采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～80%的NaCl+BaCl2與15%～30%的氟化物為基鹽,10%的V2O5作供V劑,并配以機(jī)械攪拌和惰性氣體保護(hù),獲得12～15 μm的滲V層.熔鹽流動性好,但攪拌不勻易偏析,且熔鹽揮發(fā)較為嚴(yán)重.吳彥西等[35]采用硼砂與中性混合鹽浴對碳鋼試樣進(jìn)行滲V,研究表明,滲層厚度與含C量及保溫時間成正比關(guān)系,硼砂有助于提高熔鹽對滲劑的承載能力,具有良好的性能和滲金屬效果.

目前,運(yùn)用TD法進(jìn)行化學(xué)熱處理時,常加入稀土元素作催化劑來促進(jìn)熔滲的反應(yīng)速率[36-38].陶小克等[39]在鹽浴滲V過程中加入La,Ce的混合稀土,加速了滲劑的分解和吸收,使?jié)B速可提高30%～40%.另一方面,Ce和Fe,V的原子半徑差分別為44%,35%.擴(kuò)滲于鋼表面后而使其周圍Fe原子晶格畸變,利于C,N等原子沿畸變區(qū)擴(kuò)散,起到很好的催滲作用.

3.3 高能束表面熱處理

高能束表面熱處理是利用較高功率(103～1012W/cm2)的高能束,如激光束、電子束、離子束和電火花等,定向作用于材料表面,高能束輻射產(chǎn)生的106～108K/cm的溫度梯度以熱傳導(dǎo)形式在工件表層擴(kuò)散,使其發(fā)生相結(jié)構(gòu)或物理、化學(xué)變化,以實(shí)現(xiàn)對材料的表面改性[40].激光表面熱處理技術(shù)示意圖如圖4所示.周智慧等[41]對材料為GCr15鋼的星輪表面采用激光熱處理,與傳統(tǒng)淬火相比,加熱速度快,淬火后表層硬度提高15%～20%,淬硬層中殘余奧氏體含量很少,且馬氏體、碳化物細(xì)小彌散.由于激光淬火工藝具有指向精準(zhǔn)、淬火部位可控等優(yōu)勢,適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件進(jìn)行熱處理,如氣缸體和氣缸套內(nèi)壁表面硬化等.但研究中也發(fā)現(xiàn),激光束的不足之處在于熱量利用率僅有6%～7%,且單道淬火的激光區(qū)域?qū)挾扔邢?大面積淬火時通過多道搭接,容易產(chǎn)生回火帶.

圖4 激光表面熱處理技術(shù)簡圖Fig.4 Technical diagram of laser surface heat treatment

相較于激光熱處理,電子束的電子束流功率利用率能達(dá)到90%,電子束能量能被固體金屬有效吸收,且淬硬層深度也高于激光淬火,但電子束熱處理的局限性在于對加工環(huán)境要求有一定的真空度.Zenker[42]利用滲氮+電子束熱處理(N+EBN)的復(fù)合工藝對回火穩(wěn)定性較差的碳鋼進(jìn)行處理,由于熱量向材料內(nèi)部傳導(dǎo)時的溫度降幅極大(達(dá)104K/s),可自淬火而獲得馬氏體組織.加上N+EBN復(fù)合處理后擴(kuò)散層富N,其硬度比單獨(dú)進(jìn)行兩種工藝或單項工藝疊加的硬度都要高.可以預(yù)見,N+EBN復(fù)合處理工藝在精密軸承零件的表面處理上,如凸輪、軸類等,將有廣闊的應(yīng)用前景.

4 結(jié) 論

針對高速鐵路軸承復(fù)雜的服役工況,軸承材料、熱處理工藝以及潤滑方面等的有機(jī)配合是安全穩(wěn)定運(yùn)營的關(guān)鍵,常規(guī)熱處理已難以滿足需要精準(zhǔn)調(diào)控的高速鐵路軸承運(yùn)行環(huán)境.TD滲金屬技術(shù)和高能束表面熱處理從基礎(chǔ)理論研究到實(shí)際成果,對于提高高速鐵路軸承的壽命和可靠性,展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.TD滲金屬技術(shù)具有覆層工藝穩(wěn)定、處理過程無明顯污染等優(yōu)點(diǎn),但TD滲金屬技術(shù)需要考慮熔鹽成分配比、對滲層的腐蝕作用以及成分偏析問題.高能束表面處理利用非接觸式加熱的形式,通過高密度能量源照射或注入材料表面,對基材的性能及尺寸影響小,工藝操作便于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制.但高能束熱能利用率低,加工熱影響區(qū)小,單次淬火寬度有限,多道次搭接易產(chǎn)生回火帶,后續(xù)需要進(jìn)一步深入的試驗研究.

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