鐵路客車軸承滾子表面開裂原因分析

包順毅

(南京鋪鎮恩梯恩鐵路軸承有限公司，南京 210031)

NJ(P)3226X1型鐵路客車滾子軸承在運轉一個段修期后進行正常檢修時，經磁粉探傷檢查發現個別滾子滾動面上存在一條或數條大致沿軸向分布的裂紋。滾子材料為GCr15，滾子安裝使用時間最長為18個月，客車行駛里程最高已達到70萬千米。下文針對其中4粒裂紋滾子樣品進行了詳細分析。

1 檢驗與分析

1.1 宏觀形貌觀察

對4粒(編號為1#～4#)樣品滾子裂紋形貌進行了宏觀觀察和磁粉探傷檢驗，除裂紋外，其滾動面和端面均未發現其他形式的損傷。1#～4#滾子的裂紋形貌如圖1所示，其中，1#滾子共觀察到10條長度為4.7～9 mm的裂紋；2#滾子共觀察到4條長度為4～9.5 mm的裂紋；3#滾子共觀察到11條長度為3～20 mm的裂紋；4#滾子觀察到2條長度分別為40和45 mm的裂紋。

圖1 滾子的裂紋形貌

1.2 常規項目檢驗

分別按照TB/T 3010—2001《鐵道車輛滾動軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術條件》、JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》和TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動軸承》質量控制標準對4粒滾子的化學成分、硬度、夾雜物及其淬、回火組織進行了檢驗，結果表明滾子的原材料和熱處理質量均在合格范圍內，符合相關標準要求。

1.3 酸洗檢驗

對4粒裂紋滾子按照JB/T 1255—2001標準進行了冷酸洗，結果觀察到4粒滾子的滾動面上沿圓周方向均存在著多處淺灰白色或亮白色痕跡，亮白色區邊緣被暗黑色條帶所包圍，裂紋位置均處于淺灰白色或亮白色區域，為典型的燒傷形貌，其中 3#和4#滾子酸洗后的燒傷形貌如圖2、圖3中箭頭所示部位。

圖2 3#滾子冷酸洗燒傷形貌

圖3 4#滾子冷酸洗燒傷形貌

1.4 斷口分析

采用線切割裝置將4#滾子橫向切開，在保護原開裂處不被破壞的情況下，將4#滾子裂紋另一端人為斷開，打開后的斷口形貌如圖4所示。觀察斷口可以發現，橢圓形框內(對應圖3中橢圓形框標示的表面周向灰白色區域)兩側存在放射狀棱線，如圖中箭頭所示方向，根據其方向可判斷滾子表面燒傷區域為裂紋源區。

圖4 4#滾子裂紋斷口形貌

1.5 裂紋兩側金相組織檢驗

選取4#滾子沿周向的亮白色區域橫向切開、磨制并采用4%硝酸酒精腐蝕后放置在顯微鏡下觀察，發現裂紋兩側沒有脫碳現象，表層極薄的白亮層為二次淬火馬氏體組織，深度約為10～30 μm，表層下為高溫回火組織，深度約為70～140 μm，基體心部為正常金相組織。裂紋起始于表層二次淬火馬氏體白亮層并向基體擴展。圖5所示為4#滾子兩側金相組織。

圖5 4#滾子兩側金相組織

由以上檢驗結果可以看出，鐵路客車軸承，個別滾子滾動面上出現的一條或數條裂紋與滾子表面產生二次淬火燒傷有關。

2 燒傷原因分析

2.1 開裂滾子使用情況調查與分析

鐵路客車軸承是車輛轉向架的關鍵部件，成對安裝在軸箱內，采用鐵道Ⅳ脂潤滑，要承受一定的徑向載荷和軸向載荷，常見的故障主要有工作表面剝落、疲勞裂紋、麻點及電蝕痕等。針對出現的滾子裂紋情況，現場調查發現：除個別滾子有燒傷和裂紋外，軸承其他零件外觀、潤滑脂顏色及潤滑狀態均無異常，經磁粉探傷確定內、外圈表面也未見裂紋；調取車輛軸溫報警器記錄的溫度數據可知軸箱軸承的溫升亦無異常。對裂紋滾子滾動面采用3%硝酸酒精溶液腐蝕，400倍顯微鏡觀察確認滾動面上也無電蝕痕跡。由于故障滾子裂紋形態均為長短不一的縱向直裂紋，出現的部位也均在滾動面上，其燒傷層的分布形態與電蝕所致也不相同(電蝕層的分布形態多為圓弧形)，由此可以排除滾子滾動面燒傷和開裂是由于軸承運轉過程中潤滑不良或電蝕等原因所致的可能性。

因此可以判定：滾子滾動面燒傷是在制造過程中產生的，滾子滾動面發生開裂可能是由于燒傷部位在交變接觸應力作用下萌生疲勞裂紋并擴展所致。

2.2 磨削燒傷形成機理及特征

軸承零件在熱處理后進行磨削加工時，由于磨削熱使零件表面產生高溫，引起表層組織和性能發生局部變化，這類缺陷通常稱為磨削燒傷[1]。磨削燒傷一般分為兩類：一類是高溫回火型燒傷；另一類是二次淬火型燒傷。

高溫回火型燒傷產生的溫度范圍是在零件的回火溫度以上到鋼的相變臨界點溫度Ac1以下，大約在200～745 ℃。在此溫度下淺表層的馬氏體與殘余奧氏體組織將發生分解，轉變為屈氏體或索氏體組織，這種組織抗酸腐蝕能力差，經冷酸洗后呈暗黑色，故高溫回火型燒傷也稱“黑燒傷”。

二次淬火型燒傷產生的局部瞬時高溫是在鋼的相變臨界點溫度Ac1以上，約在800 ℃以上，淺表層的馬氏體組織發生相變，轉變成奧氏體，隨后被切削液冷卻重新淬火，形成二次淬火馬氏體層，這種組織不易受酸的侵蝕，所以在冷酸洗后燒傷表層呈灰白色或亮白色，周圍呈暗黑色，因此，二次淬火型燒傷也稱“白燒傷”。二次淬火型燒傷組織會在工件表層產生很大的拉應力，這種應力在一定條件下會誘發裂紋。磨削過程中，二次淬火燒傷區域在磨削應力作用下極易產生磨削裂紋，通常磨削裂紋非常微小，肉眼觀察根本無法發現，必須采用磁粉探傷方法才能識別。

2.3 滾子加工面燒傷調查

滾子磨削加工表面包括外徑面和兩個端面，外徑面磨削工藝是采用貫穿式無心磨床連續磨削加工，分粗磨、細磨、精磨和超精4道工序共10次磨超加工完成。

滾子外徑面采用貫穿式無心磨床加工，每次進給量小，冷卻條件好，一般不會產生二次淬火燒傷。精磨外徑工序采用全自動數控無心磨床，該設備具有自動診斷、報警和保護功能，加工過程中一旦發生異常，設備會發出停止指令，也不可能產生圓周狀的磨削燒傷。調查粗磨外徑工序，共查閱5 009粒滾子酸洗的檢驗記錄，未發現磨削燒傷現象。

滾子端面加工采用臥式雙端面磨床同時磨削兩端面，分粗磨、細磨工序。經調查在M775B1臥軸雙端面磨床磨削的滾子中發現外徑面存在有鋼制套筒拉傷的痕跡，經細磨外徑后酸洗檢查發現，滾子外徑面有燒傷現象。

2.4 再現試驗

針對無心貫穿式磨削特點，制訂了模擬磨削試驗方案，即人為地加大磨削量和磨削速度，砂輪不及時修整，關停或減小切削液流量或磨削中突發停電等試驗條件，使磨削區域的溫度迅速升高，經過多次試驗，只得到滾子外徑面有啃傷和表面螺旋形黑燒傷。但在雙端面磨床上選用較惡劣的磨削工況進行模擬試驗(采用加大端面磨量、使用已磨損的舊套筒、減小切削液流量、砂輪鈍化等試驗條件)，結果在滾子外徑面上產生了一定寬度的燒傷痕跡(圖6)，表明在臥軸雙端面磨床上磨削雙端面會使滾子外徑面產生二次淬火燒傷。

圖6 磨削雙端面產生的燒傷痕跡

深入分析磨削雙端面工序的磨削原理與特點發現，在磨削滾子時，滾子進入磨床圓形磨盤上25個圓柱形套筒內，磨盤轉動將滾子送入砂輪磨削區，磨盤與砂輪作相對旋轉運動，左、右砂輪同時對兩端面進行磨削，在磨削時滾子外徑面與鋼制套筒內壁產生很大的摩擦而形成瞬時高溫，由于套筒與滾子的間隙小，切削液難以及時冷卻，當磨削狀況發生惡化時(如端面加工余量過大)，溫度會迅速升至鋼的相變臨界點溫度以上，待滾子隨磨盤轉到下部切削液的回流中時被快速冷卻，就會產生二次淬火型燒傷，后續加工外徑的工序如果表面余量過小，燒傷層組織未能磨去將殘留在滾子表面上。

3 預防措施

采用臥軸雙端面磨床磨削滾子端面時，滾子外徑表面容易產生燒傷，防止燒傷的辦法就是要減小套筒內壁與滾子外徑表面的摩擦生熱，建議采取的預防措施有：

(1)調整工藝流程，加大磨削雙端面后滾子外徑磨削余量。增加粗磨外徑工序，將原粗磨雙端面工序及細磨雙端面工序調整至粗磨外徑工序之后；粗磨外徑工序之前，將磨削雙端面后的外徑磨削余量由原0.06～0.08 mm調整為0.18～0.20 mm，以磨去滾子外徑面的燒傷組織層；

(2)減小滾子雙端面的磨削余量。雙端面余量由原來0.45～0.60 mm調整為0.20～0.40 mm，制定合理的車加工長度尺寸，嚴格控制熱處理后尺寸變化率，保證進入雙端面磨削工序的滾子長度尺寸控制在標準公差范圍內，減少切削力和套筒內壁的摩擦；

(3)改進套筒結構。在套筒外表面上制作切削液澆注口，加工時能夠使切削液順利流入套筒內壁，降低摩擦熱量，避免表面燒傷；

(4)加強對套筒等重要工裝的管理，嚴格執行更換套筒的規定。當磨削雙端面工序加工滾子數量達到20～25萬粒或滾子端面跳動量超差時，須更換全部套筒；雙端面磨削后的滾子經酸洗檢查(至粗磨外徑工序后)外徑面仍有燒傷現象時，應更換全部套筒；

(5)完善工藝文件，規范酸洗檢查標準。規定酸洗檢查的時機、頻次及數量，明確酸洗發現燒傷情況的處置要求，及時準確發現燒傷質量問題。