陳廣勝，左紅磊，劉曉明，孟婧

（1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；2.鐵道部駐西安驗(yàn)收室，西安 710000）

1 潤(rùn)滑脂對(duì)接觸疲勞的影響

鐵路貨車(chē)雙列圓錐滾子軸承采用油脂作為潤(rùn)滑劑，其類(lèi)型由原來(lái)的鐵道滾動(dòng)軸承Ⅱ型脂，逐步優(yōu)化為鐵道滾動(dòng)軸承Ⅳ型脂，為配套近期研制成功的大軸重軸承，又研制出了運(yùn)動(dòng)黏度更加穩(wěn)定的鐵道滾動(dòng)軸承Ⅴ型脂。

根據(jù)麻點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)軸承工作表面出現(xiàn)劃痕或微裂紋時(shí)，在接觸壓力產(chǎn)生的高壓油波作用下，黏度低于一定值的潤(rùn)滑脂（油）快速進(jìn)入表面裂紋（劃痕），對(duì)其內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)大的液體沖擊。同時(shí)，接觸面又將裂紋（劃痕）的開(kāi)口封住，使其內(nèi)部的油壓進(jìn)一步增高，裂紋向縱深擴(kuò)展。裂紋的縫隙愈大，劃痕愈深，作用在其內(nèi)壁上的壓力也愈大，裂紋與其表面之間的小塊金屬如同懸臂梁一樣受到彎曲作用，當(dāng)其根部強(qiáng)度不足時(shí)，懸臂梁就會(huì)折斷，軸承工作表面形成小坑，產(chǎn)生麻點(diǎn)、剝落。因此，選用合適的穩(wěn)定潤(rùn)滑脂，并保證軸承在高速重載及一定溫度條件下的運(yùn)行過(guò)程中保持一定的實(shí)際黏度，使?jié)櫥ㄓ停┎灰走M(jìn)入裂紋（劃痕），從而控制麻點(diǎn)、剝落的產(chǎn)生。

2 表面粗糙度對(duì)接觸疲勞的影響

表面粗糙度對(duì)接觸疲勞的影響可用微觀麻點(diǎn)理論解釋。由于實(shí)際加工表面為微凸體接觸，使理想光滑表面上的Hertz應(yīng)力分布發(fā)生了調(diào)幅現(xiàn)象，從而使一個(gè)橢圓分布的應(yīng)力場(chǎng)變成了分散的多個(gè)微觀應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生了微觀麻點(diǎn)，進(jìn)而成為宏觀麻點(diǎn)及裂紋［1］。由此可知，光滑的接觸表面不易產(chǎn)生麻點(diǎn)，利于延長(zhǎng)接觸疲勞壽命。因此，鐵路貨車(chē)軸承工作面（內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面、滾道面、滾子外徑面）磨超加工后的表面粗糙度Ra應(yīng)控制在0.25μm以下。為了防止鐵路貨車(chē)軸承在空氣中腐蝕、氧化、銹蝕等，對(duì)軸承零件表面進(jìn)行磷化防腐處理，但磷化后內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面和滾道面的表面粗糙度值增加。實(shí)踐證明，磷化后表面粗糙度Ra應(yīng)控制在0.6μm以下。

3 熱處理對(duì)接觸疲勞的影響

對(duì)于GCr15鋼制滾動(dòng)體，淬火及低溫回火后的顯微組織為隱針（晶）馬氏體和細(xì)粒狀碳化物。馬氏體的碳濃度以0.5%為宜［2］，固溶體的碳濃度越高，已形成粗針狀的馬氏體脆性越大，且殘余奧氏體量增多，接觸疲勞壽命降低；反之，則基體的強(qiáng)度、硬度降低，影響軸承的接觸疲勞壽命。滾動(dòng)體中的未溶碳化物以小、勻、圓為宜。

對(duì)于滲碳鋼制的套圈，也要求滲碳層中的馬氏體和碳化物細(xì)小且均勻分布，以提高接觸疲勞壽命。若套圈表面脫碳，則降低了強(qiáng)度和表面硬度，影響接觸疲勞壽命。適當(dāng)增加滲碳層的厚度，可以使疲勞裂紋在硬化層內(nèi)產(chǎn)生，避免其在硬化層和心部之間的過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生。套圈心部的強(qiáng)度和硬度影響滲碳層與基體的過(guò)渡梯度，在套圈有效壁厚一定的情況下，心部硬度越高，滲碳層與基體的過(guò)渡梯度越小，連接處產(chǎn)生的拉應(yīng)力越??；反之，滲碳層與基體的過(guò)渡梯度越大，連接處產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大。因此，適當(dāng)提高套圈心部的強(qiáng)度和硬度，有利于提高軸承接觸疲勞壽命。在實(shí)際生產(chǎn)中，鐵路貨車(chē)軸承套圈的心部硬度一般控制在35～48 HRC，心部組織為均勻的板條馬氏體，避免出現(xiàn)托氏體或曲氏體等非正常組織。

另外，一定含量的殘余奧氏體可以改善接觸疲勞性能。在接觸應(yīng)力的作用下，含殘余奧氏體的工件接觸表面易產(chǎn)生塑性變形，接觸寬度增大，單位面積上的接觸應(yīng)力降低，因而可提高接觸疲勞壽命。塑性變形會(huì)造成加工硬化，為了緩和接觸應(yīng)力，殘余奧氏體含量應(yīng)控制在10% ～25%，如果超過(guò)30%，則硬度和強(qiáng)度大大減小，反而會(huì)降低軸承的接觸疲勞壽命。

4 材料純凈度對(duì)接觸疲勞的影響

起源于表層內(nèi)的疲勞剝落多與軸承材料的純凈度有關(guān)，根據(jù)理論計(jì)算分析的結(jié)果，在滾道表面下1 mm左右的范圍內(nèi)，由于接觸應(yīng)力而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，在該區(qū)域內(nèi)，如果存在材料微觀缺陷（夾雜物、孔洞等），則會(huì)萌生疲勞裂紋。尤其是當(dāng)微觀缺陷位于軸承相對(duì)薄弱的位置時(shí)，產(chǎn)生裂紋的概率將大大增加。

長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，采用高純度的鋼材是提高鐵路貨車(chē)滾動(dòng)軸承接觸疲勞壽命的關(guān)鍵。冶煉方法的影響主要反映在鋼中的非金屬夾雜物及氣體含量上。非金屬夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，容易形成應(yīng)力集中，引發(fā)疲勞裂紋。鋼中氫氣容易引起氫脆和氫致裂紋。氮原子和氯化物起釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而促進(jìn)裂紋的萌生。因此，生產(chǎn)軸承鋼時(shí)，不但要盡量減少非金屬夾雜物與氣體的含量，還要嚴(yán)格控制均勻而彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)。

5 表面應(yīng)力狀態(tài)對(duì)接觸疲勞的影響

不論采用何種加工方式，加工后的軸承零件表面均有不同程度的殘余應(yīng)力。若零件表面層為殘余壓應(yīng)力，不易產(chǎn)生裂紋，對(duì)已有裂紋的擴(kuò)展可起抑制作用，使軸承的接觸疲勞壽命增長(zhǎng)；若零件表面層為殘余拉應(yīng)力，效果相反。由于滲碳熱處理工藝的不同，滲碳層既會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，也會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力（滲碳淬火后一般是殘余壓應(yīng)力）。磨削加工多產(chǎn)生拉應(yīng)力，超精加工產(chǎn)生壓應(yīng)力。

為使鐵路貨車(chē)軸承零件工作表面層處于良好的壓應(yīng)力狀態(tài)，采用滲碳熱處理工藝，且二次淬、回火后對(duì)其進(jìn)行噴砂（棕剛玉）強(qiáng)化處理，進(jìn)一步增大壓應(yīng)力值；在軸承磨削加工階段，盡可能減小拉應(yīng)力值，使其小于磨削前工件的壓應(yīng)力值。另外，零件工作表面需進(jìn)行超精加工。目前，滾道面、滾動(dòng)體外徑面已普遍采取超精加工，但內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面的超精還有待于推廣和普及。

另外，零件表面的不完整性，如劃傷、磕碰傷等都會(huì)改變工件表面層的應(yīng)力狀態(tài)，降低軸承的接觸疲勞壽命，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)予以有效控制。

6 表面加工變質(zhì)層對(duì)接觸疲勞的影響

熱處理后，零件表面存在一定深度的氧化層、脫碳（貧碳）層，影響其表面硬度、表面組織等性能指標(biāo)。因此，熱處理后的磨削留量不應(yīng)太小，以保證后續(xù)加工將熱處理的氧化、脫碳（貧碳）層去除，使零件表面展現(xiàn)最佳性能。

在磨削過(guò)程中，由于大量磨削熱的產(chǎn)生，工件表面會(huì)出現(xiàn)一定深度燒傷層，而輕微的燒傷利用酸洗的方法無(wú)法檢出。燒傷層降低了零件的表面硬度，改變了表面層的組織，降低了其抗接觸疲勞性能。因此，要嚴(yán)格控制磨削速度，加強(qiáng)磨削燒傷的檢驗(yàn)。

磷化處理時(shí)，磷化層是具有一定深度的電化學(xué)腐蝕層［3］。因此，磷化層不易過(guò)厚，一般控制在0.002～0.01 mm。另外，磷化過(guò)程應(yīng)按特殊過(guò)程控制，嚴(yán)格控制磷化過(guò)程的工藝參數(shù)和作業(yè)人員，否則，金屬基體極易出現(xiàn)過(guò)腐蝕，嚴(yán)重影響軸承的接觸疲勞壽命，使軸承在極短時(shí)間內(nèi)失效。

7 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨車(chē)軸承產(chǎn)生接觸疲勞過(guò)程極其復(fù)雜，除了文中分析的影響因素以外，還與工況條件（如載荷、速度、摩擦力、潤(rùn)滑等）、材料的金屬流線、環(huán)境條件（溫濕度、粉塵、酸堿度、氫原子等）有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。