李勇，高國(guó)慶，楊川，杜偉娟

(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

1 問(wèn)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(jī)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(guò)擠壓安裝到車(chē)軸上，為防止軸承使用過(guò)程中松動(dòng)，按照規(guī)定壓裝力要達(dá)到88.2～247 kN。該廠生產(chǎn)的軸承在壓裝過(guò)程中往往出現(xiàn)壓裝力達(dá)不到要求的現(xiàn)象，約90%的軸承壓裝力低于88.2 kN，一般為70～82 kN，個(gè)別軸承僅為40kN。國(guó)外生產(chǎn)同類(lèi)軸承的處理工藝基本相同，產(chǎn)品80%可以達(dá)到要求，國(guó)內(nèi)其他企業(yè)同類(lèi)型產(chǎn)品的壓裝合格率也較高。

針對(duì)此問(wèn)題該廠曾進(jìn)行過(guò)多次試驗(yàn)，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(dá)到120～130 kN；(2)如果不磷化，產(chǎn)品完全合格，壓裝力可以達(dá)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(jīng)出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)采用提高軸承內(nèi)圈內(nèi)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(duì)擠壓力有重要影響。下文將通過(guò)對(duì)比分析找出磷化組織對(duì)軸承安裝壓裝力的影響。

2 試驗(yàn)方法

分別以國(guó)外和國(guó)內(nèi)其他廠家生產(chǎn)的同類(lèi)軸承產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)定軸承的表面摩擦系數(shù)、磷化層的微觀組織形貌與成分，對(duì)比分析造成壓裝力偏低的主要原因。該廠生產(chǎn)的鐵路軸承編號(hào)為1#，國(guó)內(nèi)某廠家產(chǎn)品編號(hào)為2#，國(guó)外某公司的產(chǎn)品編號(hào)為3#。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果及分析

用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)定不同廠家鐵路軸承表面的摩擦系數(shù)。在壓力為0.98 N下，用對(duì)磨件GCr15球和50#鋼分別對(duì)1#，2#和3#樣品進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)定，測(cè)得結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 磷化層的摩擦系數(shù)(對(duì)磨件GCr15球，壓力為0.98 N)

由圖1和圖2可知，不論對(duì)磨件是何種材料，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，2#和3#樣品表面的摩擦系數(shù)為0.14～0.16，1#樣品表面的摩擦系數(shù)為0.18～0.20。由文獻(xiàn)[1]可知，鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)為0.6～0.8，故圖1、圖2是磷化層的摩擦系數(shù)。1#樣品的摩擦曲線波動(dòng)小，2#和3#樣品摩擦曲線波動(dòng)較大，這可能是因?yàn)楦鲝S的磷化膜成分結(jié)構(gòu)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(shí)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(shù)(對(duì)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(zhuǎn)左右開(kāi)始破裂，而2#樣品在800轉(zhuǎn)左右開(kāi)始破裂，3#樣品在2 200轉(zhuǎn)左右開(kāi)始破裂。磷化膜破裂后試樣摩擦系數(shù)上升到0.7～0.8，這與鋼的摩擦系數(shù)完全相同。說(shuō)明1#樣品軸承磷化膜致密且膜層較厚，在摩擦過(guò)程中不易破裂。

圖3 磷化層與基體的摩擦系數(shù)(對(duì)磨件GCr15球，壓力為0.98 N)

理論上，擠壓力應(yīng)該隨著摩擦系數(shù)的增大而增加[2]，1#軸承磷化層的摩擦系數(shù)比其他軸承摩擦系數(shù)大，其壓裝力也應(yīng)該更大。但實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定的加載力僅為0.98 N，加載力遠(yuǎn)小于軸承實(shí)際安裝時(shí)的壓裝力。在低摩擦系數(shù)階段測(cè)定的僅是磷化層的摩擦系數(shù)，實(shí)際情況下軸承受到大的壓裝力，磷化膜破裂，因此，實(shí)際的摩擦系數(shù)應(yīng)該是磷化膜與基體的復(fù)合摩擦系數(shù)。圖3中1#樣品這一階段(磷化膜與基體摩擦)曲線過(guò)渡平滑且時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明在相同的壓力下，磷化膜所起的減摩作用更明顯。在實(shí)際安裝軸與軸承時(shí)，復(fù)合摩擦系數(shù)相對(duì)較小，所以壓裝力偏低。

3.2 磷化膜成分測(cè)定結(jié)果

分別對(duì)3個(gè)不同廠家的軸承表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)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(jié)構(gòu)。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(cè)出的Cr可能是因?yàn)榱谆ぽ^薄，測(cè)到了軸承基體中的Cr。因此，認(rèn)為摩擦系數(shù)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(duì)不同廠家軸承磷化膜形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，不同廠家生產(chǎn)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(xì)小，但形態(tài)不明顯，孔隙較多，從而使得晶粒之間的結(jié)合力弱，摩擦?xí)r易破裂磨損。這說(shuō)明了2#樣品在很短時(shí)間內(nèi)摩擦系數(shù)就達(dá)到了鋼與鋼的摩擦系數(shù)，復(fù)合摩擦系數(shù)相對(duì)較大。3#樣品磷化層晶粒粗大，形態(tài)明顯，相對(duì)于1#樣品孔隙較多，結(jié)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(xiàn)摩擦這一階段波動(dòng)較大，使得磷化膜的潤(rùn)滑作用減少，復(fù)合摩擦系數(shù)也相對(duì)較大。1#樣品磷化膜晶粒細(xì)小致密，為等軸顆粒狀+棒狀，其抗蝕性能及膜與基體的結(jié)合力好[3]，在壓裝過(guò)程中膜相對(duì)最不易破裂，磷化膜起的潤(rùn)滑作用更大；并且因磷化膜較厚，也會(huì)增加磷化膜的潤(rùn)滑作用，降低復(fù)合摩擦系數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)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(jié)束語(yǔ)

不同廠家生產(chǎn)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(nèi)圈摩擦系數(shù)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(xì)小而致密且磷化膜較厚，致使其摩擦系數(shù)減小。采取的措施為：降低軸承表面磷化膜的厚度，減少其潤(rùn)滑作用；改變磷化工藝使磷化膜組織改變。采取這類(lèi)措施雖可使軸承安裝時(shí)的壓裝合格率大大提高，但磷化膜的減摩、潤(rùn)滑等有益作用得不到充分發(fā)揮。應(yīng)從其他方面采取措施來(lái)提高壓裝力，如增加內(nèi)圈與軸的過(guò)盈量，壓裝前對(duì)內(nèi)圈內(nèi)徑面進(jìn)行研磨、砂光處理等。