高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向.docx

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1、高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向摘要从相关标准规范、主要故障模式及在用轴承技术状态等多个维度对高铁轴箱轴承用钢的技术性能要求进行了梳理，进而对其核心技术质量特性进行了识别，即“强韧性、抗疲劳、耐磨性”，并对自主化研制高铁轴承钢的技术路线及改进方向给出了建议。在现阶段，集成渗碳钢与“真空脱气+电渣重熔”冶炼方法的优势，是最具合理性与可行性的解决方案。关键词滚动轴承:轴箱轴承；轴承钢：质量特性我国高速铁路运营里程规模自2010年后位居世界第一，高铁动车组已成为“中国制造”的一张“靓丽名片”。但高铁轴承迄今仍全部依赖国外品牌，因此开展自主化研发，实现国产化替代，对于保障铁路运输正常运行与国

2、家经济安全具有十分重要的意义。轴箱轴承是列车走行部的核心零部件，归属于铁路A类重要零部件，纳入国家强制性产品认证目录和国铁集团铁路专用产品认证采信目录，直接关系到列车行驶安全与线路运行秩序。高铁轴箱轴承在铁路轴箱轴承中要求最为严格，其所用钢材（以下简称高铁轴承钢）与轴承的使用性能，特别是耐久性寿命及可靠性直接相关。对高铁轴承钢的技术质量特性进行认真分析、系统梳理与深度识别，才能做好顶层设计，明确研究方向和技术路径，进而取得满足高铁动车组运用与维护严苛要求的预期目标和成果。1、对高铁轴承钢技术质量特性的分析梳理对高铁轴承钢技术质量特性的分析梳理应该是多维度的，包括相关标准规范、主要故障模式和在用

3、轴承技术状态等，这样才有可能得出比较全面系统准确的识别与认知。1.1相关标准规范1.1.1欧洲标准EN12080国际上公认的铁路轴箱轴承权威技术标准是欧洲标准EN12080：“Rai1.wayapp1.ications-xIeboxes-Ro1.1.ingbearings,最早发布于1998年3月，迄今为止又进行了2次修订。对1998,2007和2017版进行比较，尤其关注最新2017版所修订的内容，可以厘清轴箱轴承的基本技术要求以及技术进步脉络。1.1.1.1EN12080：1998标准1在EN12080：1998标准中有关轴箱轴承套圈与滚动体材料及热处理的内容摘要如下：（1）钢材等级选用钢

4、材应符合ENISO683-174Heat-treatedstee1.s,a1.1.oystee1.sandfree-cuttingStee1.s-Part17：Ba1.1.andro1.1.erbearingstee1.s标准所规定的等级。对于特殊用途（高转速、高可靠性等）轴承，由特定成分、冶金质量和加工过程的钢材制造。（2）非金属夹杂物非金属夹杂物应符合ENISO68377的规定，其可接收的限值见表1。对于具有特定成分、冶金质量和加工过程的钢材，非金属夹杂物应按要求制定规范文件表1非金属夹杂物Tab.1Non-meta1.1.ieinc1.usions（3）机械特性除渗碳和贝氏体硬化处理外，

5、内圈应进行扩张试验，以保证其在服役时不会因内径尺寸胀大（不小于内径尺寸的0.0015倍）而产生裂纹。（4）物理特性套圈和滚动体缺陷套圈和滚动体内部及表面（尤其是工作表面）不应有任何影响其性能的缺陷，检测方法为附件中给出的3种方法（方法:超声波探伤：B方法：磁粉探伤；C方法：涡流探伤）。缺陷检测等级分为：1级（最严要求），直径和深度的检测灵敏度均为0.5mm；2级，直径和深度的检测灵敏度均为1.Omn1。此分级仅考虑套圈内部缺陷。套圈内部缺陷检测。采用超声波探伤对套圈内部缺陷进行100与检测。滚道表面或至滚道表面下4nun深度的截面内无大于相应标样所标定的缺陷；深度大于411三的截面，允许有更大

6、的缺陷，但不得大于所标定缺陷的2倍。套圈表面缺陷检测。采用磁粉探伤对套圈工作表面缺陷如磨削裂纹、热处理淬火裂纹、轧制或锻造结疤、刮伤等进行检测。滚动体工作表面缺陷检测。采用涡流探伤对滚动体工作表面缺陷如磨削裂纹、热处理淬火裂纹、线痕、划伤进行检测。涡流探伤的检测灵敏度:（0.050.01）nun（深度）、（3.0+0.1）mm（长度）及（0.050.0）mm（宽度）。磨削烧伤。在不同磨削工序中均不允许有磨削烧伤。渗碳深度渗碳钢的渗碳层有效深度测量至55（）HV0表面硬度套圈和滚动体表面硬度为5766HRCo同一套轴承套圈之间的硬度差不大于4HRC,各滚动体之间的硬度差不大于4HRCo（5）检测

7、方案对表观质量、表面缺陷、内部缺陷、内圈扩张能力进行10（将检测，对渗碳层深度、硬度按批量大小进行抽样检测。1.1.1.2EN12080：2007标准2在EN12080：2007标准中有关轴箱轴承材料及热处理的修订内容摘要如下：1）对1级缺陷检测明确了适用对象一一推荐用于运行速度200km/h及以上的列车。2）套圈表面缺陷。采用磁粉探伤对套圈工作表面缺陷如磨削裂纹、热处理淬火裂纹，轧制或锻造结疤、刮伤等进行检测，也可采用涡流探伤进行检测。3）热处理需满足轴承工作温度150C卜.的尺寸稳定性要求（轴承工作温度代号SO）o1.1.1.3EN12080：2017标准3在EN12080：2017标准中

8、新增的有关轴箱轴承材料及热处理的内容摘要如卜丁1）所用钢材的附加化学成分要求见表2。表2附加化学成分（质量分数）Tab.2Aposition(massfraction)2）重新定义Jz缺陷检测等级适用对象：1级适用于dmn值大于250000mmr/min的轴承（对应于车轮直径840mm,轴承平均直径195mm和列车运行速度200km/h）,或运行速度大于200km/h的列车，或轴重大于25t的列车。2级适用于dmn值不大于250000mmr/min的轴承。3）非金屈夹杂物检测方法采用ASTME45：2013uStandardTestMethodsforDeterminingtheInc1.us

9、ionContentofStee1.,（方法A）和ISO4967：2013Stee1.-Determinationofcontentofnon-meta1.1ic1.nc1.usions-Micrograhicmethodusingdiagrams0（方法A）01.1.1.4EN12080标准中基本内容与特定要求的概括从EN12080标准历次版本的基本内容来看，铁路轴箱轴承用钢及热处理要求最突出的关注点是与轴承寿命、可靠性直接相关的项目与指标，包括各种内部及表面缺陷，其中还有专列条款要求“不同磨削工序中均不允许有磨削烧伤”一一说明不仅在通常易于产生磨削烧伤的粗磨工序要进行控制与检测，而且在细磨

10、、终磨工序中也必须要保证不出现磨削烧伤。在EN12080标准中摘取出针对高铁轴承钢的特定要求：是其属性为特殊用途轴承（高转速、高可靠性等要求），可以制订专用钢材技术规范（由特定成分、冶金质量和加工过程的钢材制造）；二是用于列车运行速度大于200km/h的轴箱轴承套圈应进行100舟的1级超声波探伤。在EN12080：2007版及以后，增加了工作温度150下轴承尺寸稳定性的要求，意味着轴承零件（主要是套圈）需要在200C进行回火处理。这不仅有利于提高零件的组织和尺寸稳定性，还可以增加材料韧性，阻止裂纹的产生与犷展。另有研究证明，在200C及以上温度的回火对材料原有微裂纹还具有“焊合”作用。在EN1

11、2080：2017中新增了对钛和氢含量的控制要求，由于无从了解该标准修订的具体依据（如编制说明等相关资料），推测应该是基于卜.列的类似研究成果：1）当氧含量降至较低水平后，TiN,TiNC等坚硬、尖锐夹杂物对轴承疲劳性能的影响开始凸显当钛含量不小于0.003%时，会导致轴承疲劳寿命卜降。2）氢会导致氢脆（在定应力、时间作用下，钢突然发生脆断，多发生在马氏体钢中），形成白点缺陷等，因此氢含量不大于0.0002%是其安全含量。3）由于渗碳轴承钢的裂纹敏感性比全淬透轴承钢小，对钛、氢含量指标可适度放宽一些。1.1.2我国铁路行业技术规范从原中国铁路总公司发布的标准性技术文件TJ/C1.287-201

12、4动车组轴箱轴承暂行技术条件4的附录DCRH2系列车型装用轴箱轴承中，可知其是参考了日系轴箱轴承的有关资料。其中关于材料的规定主要有：1）轴承钢采用符合JISG4053：2008“械械横造用低合金”,JISG4805：2008“高炭素夕口2、轴受纲材料”，SAEJ1268：20101.1.ardenabiIityBandsforCarbonandA1.1.oyHStee1.s,ASTMhA534：2009“StandardSpecificationforCarburizingStee1.sforAnti-ErictionBearingsm等标准要求的钢材。2）采用渗碳钢制造的轴承套圈表面硬度应

13、为55-65HRC,心部硬度应大于30HRC；滚动体表面硬度应为5866HRC。采用高碳珞轴承钢制造的套圈硬度应为55-65HRC,滚动体硬度应为58-67HRCo同一零件的表面硬度差不大于2HRC。从上述关于轴承套圈硬度范围的要求可知：套圈硬度下限值超越常规要求的58URC而降低至55HRC,说明日系轴承在钢材的性能平衡上，是将材料韧性优先置于疲劳强度（58HRC是保证轴承疲劳寿命不降低的最低硬度要求）、耐磨性能（硬度为61-65HRC时轴承耐磨损性能较好）之上；对滚动体与套圈滚道的硬度合理匹配具有引导性（滚动体硬度比套圈硬度高12HRC,更有利于提高轴承疲劳寿命）。1.2 轴承故障模式“问

14、题导向”是对高铁轴承钢技术质量特性进行识别的最直接有效的方法。我国目前在用国外品牌高铁轴箱轴承有欧系SKF,FAG和日系NTN,NSK共4家供应商。根据有关资料,对经过120104km运行后进入高级修的轴箱轴承进行统计，共检修214808套，存在故障的为524套，故障率为0.24%,其中与材质水平直接相关的主要零件疲劳剥落故障率见表3。表3120X104km高级修轴箱轴承的疲劳剥落故障率Tab.3Eatiguespa1.1.ingfau11ratesofax1.eboxbearingsundergoingadvancedrepairafteroperationof120104km由表3可知，滚

15、道及滚子表面疲劳剥落故障率处于相当低的水平，仅为0.1%左右。其中，欧系轴承的故障率比日系轴承的稍高，且可明显区分为2个不同的数量级水平前者的疲劳剥落故障率为千分之几，而后者的疲劳剥落故障率仅为万分之几。1.3 在用轴承技术状态国外高铁轴箱轴承以1964年10月日本新干线通车运营为起点，已经运用了近60年。我国自2008年8月京津城际铁路开通运营以来，也已运用了近20年。特别是我国高铁具有时速快（目前运行时速最高为350km/h,是全球商用时速最高的）、长交路（京昆高铁全程运行2760km,是目前全球高铁线路中运距最长的）、宽温域（标准要求为7050C,特殊条件要求为-4555）、复杂地质和气

16、候条件（覆盖高寒至热带地区）等特点，对轴箱轴承带来的挑战远大于国外，因此作为技术状态与水平的分析样本也更具有典型意义，可以说是代表着世界最高及最新技术质量水平。我国目前在用的国外品牌高铁轴箱轴承的材料及热处理工艺见表4。表4我国在用国外品牌高铁轴箱轴承的材料及热处理工艺Tab.4Materia1.sandheattreatmentprocessesforhigh-speedraiIwayax1.eboxbearingsofforeignbrands(usedinChina)注:注F3,100Cr6和SUJ2相当于我国牌号GCrI5；SKF4相当于我国牌号GCr1.5SiMn;SKF24相当于我国牌号GCr1.8Mo;SNCM42O,SE4320H相当于我国牌号G20CrNi2Moo仅聚焦于应用面最大的双列圆锥滚子轴