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(chǎn)的軸承在壓裝過程中往往出現(xiàn)壓裝力達不到要求的現(xiàn)象，約90%的軸承壓裝力低于88.2 kN，一般為70～82 kN，個別軸承僅為40kN。國外生產(chǎn)同類軸承的處理工藝基本相同，產(chǎn)品80%可以達到要求，國內其他企業(yè)同類型產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)出現(xiàn)過類似現(xiàn)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(chǎn)的同類軸承產(chǎn)品進行對比分析，測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)的鐵路軸承編號為1#，國內某廠家產(chǎn)品編號為2#，國外某公司的產(chǎn)品編號為3#。

3 試驗結果與分析

3.1 摩擦系數(shù)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(shù)。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(shù)的測定，測得結果如圖1～圖3所示。

圖1 磷化層的摩擦系數(shù)(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(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[1]可知，鋼對鋼的摩擦系數(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(shù)(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(shù)上升到0.7～0.8，這與鋼的摩擦系數(shù)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(shù)(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(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(shù)階段測定的僅是磷化層的摩擦系數(shù)，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(shù)應該是磷化膜與基體的復合摩擦系數(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(shù)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(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(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(shù)就達到了鋼與鋼的摩擦系數(shù)，復合摩擦系數(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)，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(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。