铁路轴承安装时压装力偏低的原因分析

李勇，高国庆，杨川，杜伟娟

(西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031)

1 问题的提出

某厂铁路轴承采用的材料为G20CrNi2Mo2，处理工艺为：下料→锻造→锻造后缓冷→机加工→渗碳(930 ℃×30 h；降温到870 ℃×3 h；油冷)→低温回火→淬火(800 ℃×45 min)→低温回火(170 ℃×4 h)→磨削→回火(140 ℃×5 h)→精磨→磷化。

通常该轴承系通过挤压安装到车轴上，为防止轴承使用过程中松动，按照规定压装力要达到88.2～247 kN。该厂生产的轴承在压装过程中往往出现压装力达不到要求的现象，约90%的轴承压装力低于88.2 kN，一般为70～82 kN，个别轴承仅为40kN。国外生产同类轴承的处理工艺基本相同，产品80%可以达到要求，国内其他企业同类型产品的压装合格率也较高。

针对此问题该厂曾进行过多次试验，得到以下规律：(1)压一次不合格，取出再次压入则合格，压装力可以达到120～130 kN；(2)如果不磷化，产品完全合格，压装力可以达到180～210 kN，磷化后如果用砂纸轻磨也可以使压装力合格；(3)不加入磷酸的轴承一般压装力40 kN，加入磷酸后提高到60～80 kN；(4)多年前曾经出现过类似现象，当时采用提高轴承内圈内径面粗糙度值的方法得到解决，但是目前采用此方法效果不明显。由上述规律可以看出，磷化对挤压力有重要影响。下文将通过对比分析找出磷化组织对轴承安装压装力的影响。

2 试验方法

分别以国外和国内其他厂家生产的同类轴承产品进行对比分析，测定轴承的表面摩擦系数、磷化层的微观组织形貌与成分，对比分析造成压装力偏低的主要原因。该厂生产的铁路轴承编号为1#，国内某厂家产品编号为2#，国外某公司的产品编号为3#。

3 试验结果与分析

3.1 摩擦系数测定结果及分析

用摩擦磨损试验机分别测定不同厂家铁路轴承表面的摩擦系数。在压力为0.98 N下，用对磨件GCr15球和50#钢分别对1#，2#和3#样品进行摩擦系数的测定，测得结果如图1～图3所示。

图1 磷化层的摩擦系数(对磨件GCr15球，压力为0.98 N)

由图1和图2可知，不论对磨件是何种材料，摩擦系数基本稳定，2#和3#样品表面的摩擦系数为0.14～0.16，1#样品表面的摩擦系数为0.18～0.20。由文献[1]可知，钢对钢的摩擦系数为0.6～0.8，故图1、图2是磷化层的摩擦系数。1#样品的摩擦曲线波动小，2#和3#样品摩擦曲线波动较大，这可能是因为各厂的磷化膜成分结构不同；也可能是1#样品的磷化膜致密平整或者磷化层厚，在磷化时易在凹坑处形核，减少了表面不平度。

图2 磷化层的摩擦系数(对磨件50#钢，压力为0.98 N)

由图3可以看出，1#样品磷化膜在3 500转左右开始破裂，而2#样品在800转左右开始破裂，3#样品在2 200转左右开始破裂。磷化膜破裂后试样摩擦系数上升到0.7～0.8，这与钢的摩擦系数完全相同。说明1#样品轴承磷化膜致密且膜层较厚，在摩擦过程中不易破裂。

图3 磷化层与基体的摩擦系数(对磨件GCr15球，压力为0.98 N)

理论上，挤压力应该随着摩擦系数的增大而增加[2]，1#轴承磷化层的摩擦系数比其他轴承摩擦系数大，其压装力也应该更大。但实际试验测定的加载力仅为0.98 N，加载力远小于轴承实际安装时的压装力。在低摩擦系数阶段测定的仅是磷化层的摩擦系数，实际情况下轴承受到大的压装力，磷化膜破裂，因此，实际的摩擦系数应该是磷化膜与基体的复合摩擦系数。图3中1#样品这一阶段(磷化膜与基体摩擦)曲线过渡平滑且时间较长，说明在相同的压力下，磷化膜所起的减摩作用更明显。在实际安装轴与轴承时，复合摩擦系数相对较小，所以压装力偏低。

3.2 磷化膜成分测定结果

分别对3个不同厂家的轴承表面进行能谱分析，结果如图4所示。从图中可以看到不同厂家磷化层的成分基本相同，主要是含Mn的磷化铁结构。3#样品的磷化层中存在一定量的Cr。由于磷化剂中不存在Cr，测出的Cr可能是因为磷化膜较薄，测到了轴承基体中的Cr。因此，认为摩擦系数不同的主要因素不是磷化层的成分。

图4 不同厂家轴承磷化层的成分

3.3 磷化层形貌及分析

采用SEM对不同厂家轴承磷化膜形貌进行观察，结果如图5所示。由图可知，不同厂家生产的轴承磷化层形貌和尺寸均不同。2#样品磷化膜虽然晶粒最细小，但形态不明显，孔隙较多，从而使得晶粒之间的结合力弱，摩擦时易破裂磨损。这说明了2#样品在很短时间内摩擦系数就达到了钢与钢的摩擦系数，复合摩擦系数相对较大。3#样品磷化层晶粒粗大，形态明显，相对于1#样品孔隙较多，结合力弱于1#样品，也容易破裂。造成其摩擦曲线从磷化膜破裂到轴承基体出现摩擦这一阶段波动较大，使得磷化膜的润滑作用减少，复合摩擦系数也相对较大。1#样品磷化膜晶粒细小致密，为等轴颗粒状+棒状，其抗蚀性能及膜与基体的结合力好[3]，在压装过程中膜相对最不易破裂，磷化膜起的润滑作用更大；并且因磷化膜较厚，也会增加磷化膜的润滑作用，降低复合摩擦系数，进而导致压装力偏低。

图5 不同厂家轴承磷化层的微观组织形貌

4 结束语

不同厂家生产的轴承其压装力不同的主要原因是：轴承表面的磷化层厚度及形貌不同，造成轴承内圈摩擦系数不同，从而影响压装力的大小。1#轴承压装力小是由于磷化膜晶粒细小而致密且磷化膜较厚，致使其摩擦系数减小。采取的措施为：降低轴承表面磷化膜的厚度，减少其润滑作用；改变磷化工艺使磷化膜组织改变。采取这类措施虽可使轴承安装时的压装合格率大大提高，但磷化膜的减摩、润滑等有益作用得不到充分发挥。应从其他方面采取措施来提高压装力，如增加内圈与轴的过盈量，压装前对内圈内径面进行研磨、砂光处理等。