鐵路客車軸承套圈鍛后控冷工藝

包順毅,涂洪平

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

鐵路客車軸承是客車車輛的重要組成部件，其質量直接關系到車輛運行的安全性。網狀碳化物則是軸承零件鍛造加工的重要質量指標之一，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其質量產生影響。若軸承鋼鍛件終鍛溫度高，而冷卻速度慢，鍛件內部將會形成較粗大的網狀碳化物組織。網狀碳化物會削弱晶粒間的結合力，使軸承零件的力學性能，特別是沖擊韌性下降，使用時容易產生剝離、甚至開裂等現象，降低軸承使用壽命。因此，對軸承零件退火后網狀碳化物有嚴格要求，JB/T 1255—2001規定，網狀碳化物按第四級別圖評定，不大于2.5級為合格。所以，有效控制軸承零件網狀碳化物有著重要意義。

1 網狀碳化物形成機理

網狀碳化物是在過共析鋼中沿晶粒邊界析出呈網絡狀分布的過剩二次碳化物。網狀碳化物的形成與原材料鑄錠冷卻時成分偏析、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。對于GCr15軸承鋼，臨界冷卻速度為72 ℃/min，當冷卻速度低于此值時二次碳化物析出增多，會嚴重影響材料的性能[1]。

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

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，其化學成分中提高了Cr含量，同時添加了合金元素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狀碳化物。

2 改進前存在的問題

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 ℃，目前采用遠紅外測溫儀測量鍛造溫度。始鍛溫度較易掌握，由于鍛造作業為人工操作，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狀碳化物的形成。

2.1 噴霧冷卻

采用鍛后噴霧冷卻抑制網狀碳化物的操作性簡單，成本低，但可靠性差，這是因為噴霧冷卻工藝中水溫、冷卻速度、時間、溫度和操作規范等不可控因素多。國內企業鍛后噴霧冷卻多憑經驗操作，冷卻節拍相對鍛造節拍慢，鍛件產生堆積，不能保證每一個鍛件都能均勻冷卻，容易造成鍛件冷卻不一致或過度冷卻，網狀碳化物超標現象嚴重，過度冷卻還會產生表面濕裂紋。

2.2 正火工藝

正火能細化晶粒，細化組織，消除不太粗大的網狀碳化物，但能耗大，工件處理時間長導致氧化脫碳加劇，不適于大批量生產。正火工藝也存在一定的風險性，若正火溫度選擇不當，冷卻速度太慢，可導致鍛造后的網狀碳化物繼續保留，且易發生粗大碳化物長大而細小碳化物溶解的現象[3]。

3 鍛后控冷工藝

3.1 工藝特點

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，快速冷卻至360～600 ℃，可阻止奧氏體晶粒的長大，抑制網狀碳化物的析出，快速冷卻后的返紅為680 ℃左右，再經空冷，可獲得細小的索氏體組織(或索氏體+部分上貝氏體)，為球化退火做好準備。但如何做到終鍛后鍛件可靠地進行快速冷卻，保證網狀碳化物合格又不產生冷卻過度，是軸承鍛造生產的一個技術難題。針對軸承鍛造中噴霧冷卻工藝的不可控因素，運用控冷原理，設計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，其冷卻速度與油相近，在1 min之內可將鍛件表面溫度降到600 ℃以下(返紅后達到680 ℃)；每個鍛件終鍛后進水前溫度和冷卻后出水溫度均由遠紅外測溫儀測控，可以保證每個鍛件冷卻過程中溫度可控。

3.2 控冷設備工作原理

將終鍛后的套圈置于進料工位，遠紅外測溫儀檢測、控制終鍛溫度；當熱水溫度達到要求，鍛件進入熱水中快速冷卻；冷卻時間由計算機控制，到達設定時間，設備自動出料，在出料工位由測溫儀檢測冷卻后的鍛件溫度，保證了工件的冷卻時間和冷卻前、后溫度可控。控冷設備工作流程如圖1所示。

圖1 鍛后控冷工藝過程

4 對比試驗

以鐵路客車軸承內圈為試樣，隨機抽取空冷(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，碳化物成網趨勢明顯；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，這是霧冷時鍛件各部位冷卻速度不均勻的表現。由掃描電鏡照片可知，空冷與霧冷的網狀結構明顯可見。

4.2 硬度對比

顯微組織不均勻性反映在力學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點，測量結果見表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 不同試樣硬度檢測結果HB

4.3 分析討論

對比試樣組織及硬度發現，空冷、霧冷狀態套圈毛坯的內部顯微組織和硬度均勻性差。其中，霧冷試驗顯微組織除珠光體外，還存在一定數量的非平衡組織，且非平衡組織的數量、形態和分布特征也不同。這是因為空冷、霧冷冷卻速度較慢，不易在短時間內把套圈熱量帶走，在套圈截面上存在較大溫差，套圈內部奧氏體分解轉變在較大的溫度范圍內完成，導致套圈內部組織應力增大。

5 鍛后控冷工藝穩定性試驗

為進一步驗證鍛后控冷工藝的可靠性與穩定性，分別對2批鐵路客車軸承進行穩定性生產試驗。第1批61件試樣為：NJ3226X1內圈25件，NJP3226X1內圈20件，NJP3226X1平擋圈16件。工件車加工后全部進行磁粉探傷，未發現有裂紋，對試樣進行線切割，取樣檢查網狀碳化物，檢測結果見表2。由表2可知，試樣網狀碳化物檢測結果1.5級以下占90%，2級僅占10%。

第2批試樣為NJ(P)3226X1外圈，NJ3226X1，NJP3226X1內圈和NJP3226X1平擋圈總計300余件，從中隨機抽檢12件進行球化退火組織和網狀碳化物檢測，結果見表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狀碳化物組織可以穩定地控制在2.0級以下。

表2 鍛后控冷工藝試樣網狀碳化物檢測結果

6 結束語

鍛后控冷工藝及設備能可靠地控制鍛件網狀碳化物，相比空冷、霧冷鍛件，網狀碳化物級別一般要降低0.5～1級，并且冷卻均勻，組織一致，不產生裂紋，為球化退火做了充分準備；控冷工藝不再進行正火處理，更加節能、環保。

鍛后控冷技術已成功應用于鐵路客車軸承套圈鍛件的批量生產，其能夠穩定、有效地控制鍛件的冷卻速度、時間、溫度和均勻性，有效抑制網狀碳化物形成，大大改善鍛件的內在質量，從而提高鐵路客車軸承的疲勞壽命和可靠性，經濟效益顯著。

表3 鍛后控冷工藝試樣退火組織與網狀碳化物檢測結果