鐵路客車軸承套圈鍛后控冷工藝

包順毅,涂洪平

(1.南京浦鎮(zhèn)恩梯恩鐵路軸承有限公司，南京 210031；2.鐵道部駐南京車輛驗(yàn)收室，南京 210031)

鐵路客車軸承是客車車輛的重要組成部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性。網(wǎng)狀碳化物則是軸承零件鍛造加工的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，鍛造過程中的鍛坯加熱溫度、始鍛溫度、終鍛溫度、鍛后毛坯冷卻速度等因素都對(duì)其質(zhì)量產(chǎn)生影響。若軸承鋼鍛件終鍛溫度高，而冷卻速度慢，鍛件內(nèi)部將會(huì)形成較粗大的網(wǎng)狀碳化物組織。網(wǎng)狀碳化物會(huì)削弱晶粒間的結(jié)合力，使軸承零件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性下降，使用時(shí)容易產(chǎn)生剝離、甚至開裂等現(xiàn)象，降低軸承使用壽命。因此，對(duì)軸承零件退火后網(wǎng)狀碳化物有嚴(yán)格要求，JB/T 1255—2001規(guī)定，網(wǎng)狀碳化物按第四級(jí)別圖評(píng)定，不大于2.5級(jí)為合格。所以，有效控制軸承零件網(wǎng)狀碳化物有著重要意義。

1 網(wǎng)狀碳化物形成機(jī)理

網(wǎng)狀碳化物是在過共析鋼中沿晶粒邊界析出呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的過剩二次碳化物。網(wǎng)狀碳化物的形成與原材料鑄錠冷卻時(shí)成分偏析、鍛造加熱溫度、終鍛溫度、鍛造比、鍛造后冷卻速度等因素有關(guān)。對(duì)于GCr15軸承鋼，臨界冷卻速度為72 ℃/min，當(dāng)冷卻速度低于此值時(shí)二次碳化物析出增多，會(huì)嚴(yán)重影響材料的性能[1]。

鐵路客車軸承套圈鍛件由1 050 ℃到900 ℃(Acm點(diǎn))，組織為單一奧氏體相區(qū)，在此溫區(qū)冷卻組織不發(fā)生變化。由900 ℃到760 ℃為奧氏體+二次滲碳體相區(qū)，若在這一溫區(qū)緩慢冷卻，碳化物將沿奧氏體晶界析出，先形成斷續(xù)的線，并逐漸在晶界連成網(wǎng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，網(wǎng)逐漸加厚，形成網(wǎng)狀碳化物組織。提高冷卻速度對(duì)網(wǎng)狀碳化物形成的影響最大[2]，因此，在此溫區(qū)必須將鍛件冷卻速度提高到100～200 ℃/min，才能有效抑制網(wǎng)狀碳化物的析出。當(dāng)鍛件冷卻至低于Ar1點(diǎn)相變溫度(約為710～680 ℃)，奧氏體將發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體(索氏體)，此溫區(qū)采取較快的冷卻速度可以得到更細(xì)的索氏體組織(硬度30～40 HRC)，對(duì)隨后的球化退火非常有利。但鍛件冷卻速度也不能過快，當(dāng)冷卻速度超過鋼的淬火臨界冷卻速度時(shí)，鍛件將產(chǎn)生淬火開裂。

鐵路客車軸承套圈采用的GCr18Mo高碳鉻軸承鋼屬于過共析鋼，與常用的GCr15軸承鋼相比，其化學(xué)成分中提高了Cr含量，同時(shí)添加了合金元素Mo，這2種元素均為碳化物形成元素，增加了GCr18Mo軸承鋼形成碳化物不均勻性的傾向，因此，鐵路客車軸承套圈鍛造必須采用可靠的方法抑制網(wǎng)狀碳化物。

2 改進(jìn)前存在的問題

鐵路客車軸承套圈鍛造工藝要求始鍛溫度為1 050～1 150 ℃，終鍛溫度為800～850 ℃，目前采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)量鍛造溫度。始鍛溫度較易掌握，由于鍛造作業(yè)為人工操作，終鍛溫度難以控制。鍛后冷卻方式多為空冷或霧冷，并采用正火工藝來抑制網(wǎng)狀碳化物的形成。

2.1 噴霧冷卻

采用鍛后噴霧冷卻抑制網(wǎng)狀碳化物的操作性簡(jiǎn)單，成本低，但可靠性差，這是因?yàn)閲婌F冷卻工藝中水溫、冷卻速度、時(shí)間、溫度和操作規(guī)范等不可控因素多。國(guó)內(nèi)企業(yè)鍛后噴霧冷卻多憑經(jīng)驗(yàn)操作，冷卻節(jié)拍相對(duì)鍛造節(jié)拍慢，鍛件產(chǎn)生堆積，不能保證每一個(gè)鍛件都能均勻冷卻，容易造成鍛件冷卻不一致或過度冷卻，網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，過度冷卻還會(huì)產(chǎn)生表面濕裂紋。

2.2 正火工藝

正火能細(xì)化晶粒，細(xì)化組織，消除不太粗大的網(wǎng)狀碳化物，但能耗大，工件處理時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致氧化脫碳加劇，不適于大批量生產(chǎn)。正火工藝也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，若正火溫度選擇不當(dāng)，冷卻速度太慢，可導(dǎo)致鍛造后的網(wǎng)狀碳化物繼續(xù)保留，且易發(fā)生粗大碳化物長(zhǎng)大而細(xì)小碳化物溶解的現(xiàn)象[3]。

3 鍛后控冷工藝

3.1 工藝特點(diǎn)

套圈鍛造的終鍛溫度控制在800～850 ℃，鍛件在奧氏體和碳化物的兩相區(qū)，快速冷卻至360～600 ℃，可阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，抑制網(wǎng)狀碳化物的析出，快速冷卻后的返紅為680 ℃左右，再經(jīng)空冷，可獲得細(xì)小的索氏體組織(或索氏體+部分上貝氏體)，為球化退火做好準(zhǔn)備。但如何做到終鍛后鍛件可靠地進(jìn)行快速冷卻，保證網(wǎng)狀碳化物合格又不產(chǎn)生冷卻過度，是軸承鍛造生產(chǎn)的一個(gè)技術(shù)難題。針對(duì)軸承鍛造中噴霧冷卻工藝的不可控因素，運(yùn)用控冷原理，設(shè)計(jì)了軸承套圈鍛后控冷新工藝。

鍛后控冷工藝采用熱水(水溫95 ℃以上)作為冷卻介質(zhì)，其冷卻速度與油相近，在1 min之內(nèi)可將鍛件表面溫度降到600 ℃以下(返紅后達(dá)到680 ℃)；每個(gè)鍛件終鍛后進(jìn)水前溫度和冷卻后出水溫度均由遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)控，可以保證每個(gè)鍛件冷卻過程中溫度可控。

3.2 控冷設(shè)備工作原理

將終鍛后的套圈置于進(jìn)料工位，遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀檢測(cè)、控制終鍛溫度；當(dāng)熱水溫度達(dá)到要求，鍛件進(jìn)入熱水中快速冷卻；冷卻時(shí)間由計(jì)算機(jī)控制，到達(dá)設(shè)定時(shí)間，設(shè)備自動(dòng)出料，在出料工位由測(cè)溫儀檢測(cè)冷卻后的鍛件溫度，保證了工件的冷卻時(shí)間和冷卻前、后溫度可控。控冷設(shè)備工作流程如圖1所示。

圖1 鍛后控冷工藝過程

4 對(duì)比試驗(yàn)

以鐵路客車軸承內(nèi)圈為試樣，隨機(jī)抽取空冷(無裂紋)、霧冷(無裂紋)和鍛后控冷3種不同冷卻工藝下的試樣各1件，在套圈軸向方向采用線切割剖開，觀察球化退火前的顯微組織形貌，并在套圈厚度中心線測(cè)量硬度。

4.1 顯微組織

3種不同冷卻工藝下試樣的顯微組織如圖2和圖3所示，金相顯微鏡下空冷試樣全部為珠光體，珠光體片層間距較大，碳化物成網(wǎng)趨勢(shì)明顯；而霧冷試樣組織均勻性明顯比鍛后控冷試樣的組織均勻性差，這是霧冷時(shí)鍛件各部位冷卻速度不均勻的表現(xiàn)。由掃描電鏡照片可知，空冷與霧冷的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯可見。

4.2 硬度對(duì)比

顯微組織不均勻性反映在力學(xué)性能上是硬度的不均勻。試樣總寬度為70，在與兩端面垂直的一條直線上均勻布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見表1。

由表1可知，采用空冷的試樣硬度差為17 HB；控冷試樣硬度差為25 HB；霧冷試樣硬度差達(dá)129 HB。

圖2 不同工藝下試樣的顯微組織

圖3 不同冷卻工藝下試樣的掃描電鏡照片

表1 不同試樣硬度檢測(cè)結(jié)果HB

4.3 分析討論

對(duì)比試樣組織及硬度發(fā)現(xiàn)，空冷、霧冷狀態(tài)套圈毛坯的內(nèi)部顯微組織和硬度均勻性差。其中，霧冷試驗(yàn)顯微組織除珠光體外，還存在一定數(shù)量的非平衡組織，且非平衡組織的數(shù)量、形態(tài)和分布特征也不同。這是因?yàn)榭绽洹㈧F冷冷卻速度較慢，不易在短時(shí)間內(nèi)把套圈熱量帶走，在套圈截面上存在較大溫差，套圈內(nèi)部奧氏體分解轉(zhuǎn)變?cè)谳^大的溫度范圍內(nèi)完成，導(dǎo)致套圈內(nèi)部組織應(yīng)力增大。

5 鍛后控冷工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證鍛后控冷工藝的可靠性與穩(wěn)定性，分別對(duì)2批鐵路客車軸承進(jìn)行穩(wěn)定性生產(chǎn)試驗(yàn)。第1批61件試樣為：NJ3226X1內(nèi)圈25件，NJP3226X1內(nèi)圈20件，NJP3226X1平擋圈16件。工件車加工后全部進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)有裂紋，對(duì)試樣進(jìn)行線切割，取樣檢查網(wǎng)狀碳化物，檢測(cè)結(jié)果見表2。由表2可知，試樣網(wǎng)狀碳化物檢測(cè)結(jié)果1.5級(jí)以下占90%，2級(jí)僅占10%。

第2批試樣為NJ(P)3226X1外圈，NJ3226X1，NJP3226X1內(nèi)圈和NJP3226X1平擋圈總計(jì)300余件，從中隨機(jī)抽檢12件進(jìn)行球化退火組織和網(wǎng)狀碳化物檢測(cè)，結(jié)果見表3。

由表2、表3可以看出，采用鍛后控冷工藝后，鐵路客車軸承套圈鍛件網(wǎng)狀碳化物組織可以穩(wěn)定地控制在2.0級(jí)以下。

表2 鍛后控冷工藝試樣網(wǎng)狀碳化物檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

鍛后控冷工藝及設(shè)備能可靠地控制鍛件網(wǎng)狀碳化物，相比空冷、霧冷鍛件，網(wǎng)狀碳化物級(jí)別一般要降低0.5～1級(jí)，并且冷卻均勻，組織一致，不產(chǎn)生裂紋，為球化退火做了充分準(zhǔn)備；控冷工藝不再進(jìn)行正火處理，更加節(jié)能、環(huán)保。

鍛后控冷技術(shù)已成功應(yīng)用于鐵路客車軸承套圈鍛件的批量生產(chǎn)，其能夠穩(wěn)定、有效地控制鍛件的冷卻速度、時(shí)間、溫度和均勻性，有效抑制網(wǎng)狀碳化物形成，大大改善鍛件的內(nèi)在質(zhì)量，從而提高鐵路客車軸承的疲勞壽命和可靠性，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 鍛后控冷工藝試樣退火組織與網(wǎng)狀碳化物檢測(cè)結(jié)果