高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向.docx

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）钢材等级选用钢材应符合ENISO683-174<Heat-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，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:（0.05÷0.01）nun（深度）、（3.0+0.1）mm（长度）及（0.05±0.0）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.usionContentofStee1.,（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、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EN12080：2017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/C1.287-2014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120×104km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.eboxbearingsundergoingadvancedrepairafteroperationof120×104km由表3可知，滚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7050°C,特殊条件要求为-4555）、复杂地质和气候条件（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承单元，由表4可知,在滚子材料及热处理上，欧系与日系轴承的解决方案相同；在套圈材料及热处理上，欧系与日系轴承在技术路线上则有很大的不同。欧系轴承套圈以高碳格轴承钢及贝氏体热处理为主一一高碳铭轴承钢性价比高。采用贝氏体等温淬火及SO高温回火（回火温度为200C）,零件在疲劳强度提高、耐磨性略微降低的条件卜.，韧性与马氏体相比可显著提高，裂纹扩展呈缓慢状态，具有轴箱轴承所期望的“安全失效模式”。贝氏体热处理对解决材料“氢脆”隐患亦有正面贡献。日系轴承套圈则以渗碳轴承钢及渗碳热处理为主，这是因为渗碳后零件具有“外硬里韧”的梯度性能表而硬度高，抗疲劳和耐磨损；心部韧性好，可有效阻止裂纹扩展，特别适用于具有冲击振动等复杂载荷的工况。虽然渗碳钢价格较高，热处理工艺也较复杂，但其材料特性非常契合轴箱轴承的高安全性要求，这也是日本在铁路轴承（如货车轮对轴承等）长期生产与运维中形成的技术传统。在我国高铁动车组的运用中，国外品牌轴箱轴承都发生过不同程度的疲劳剥落等问题,也都进行了改进升级。针对材料及热处理方面采取的措施主要有:I）SKF公司。套圈由早期的马氏体淬Iq火改为贝氏体等温淬火，并采用的是其二部贝氏体（Xbiten）专利技术，具有更细的晶粒，更高的强韧性，更好的尺寸稳定性，更大的表面压应力，更长的疲劳寿命（计算寿命可从300X104km提升至420X104km）,更适应列车长距离安全运行。2）FAG公司。采用比100Cr6更高质量等级的钢材100Cr6A,即在化学成分中加严了对氧、铜及磷含量的控制，冶炼方法在原真空脱气冶炼工艺基础上增加了氧气保护电渣重熔工艺。改进后，套圈疲劳剥落的比例由原统计的1.42%降低至不到0.20%。3）NTN与NSK公司。采用比1级超声波检测灵敏度更高的要求。2、对高铁轴承钢的核心技术质量特性的识别基于上述几个维度的分析、梳理与探究，可以对高铁轴承钢的核心技术质量特性进行抓取并识别如下：1）强韧性。在铁路运输生产中，“安全性”永远是第一位的。当列车高速运行时，若轴箱轴承出现断裂、碎裂等严重问题，会导致“燃轴、切轴”，甚至造成“车毁人亡”等重大安全事故，因此，高铁轴承钢的首要特性要求就是强韧性。增加强韧性的措施有：采用渗碳钢进行渗碳处理，采用全淬钢进行贝氏体处理：零件表面硬度下限与常规要求相比可适度降低；加严对氢含量（氢脆）、铜含量（铜脆）及磷含量（冷脆）的控制：对高碳珞轴承钢的内圈进行扩张试验（渗碳钢与贝氏体硬化除外），以及曾经要求的套圈跌落试验；实施满足工作温度150C尺寸稳定性的回火处理。以上措施尽管对策不同，但或显性或隐性，都归集为一个共同指向尽可能减小材料脆性（提高其强韧性），确保轴承不发生断裂、碎裂这类“危险性失效”一一这就是在材料及其热处理、化学成分以及检测试验中采取不同措施所贯穿的底层逻辑。2）抗疲劳。材料疲劳剥落是轴承的正常失效形式，轴箱轴承的设计寿命是依据疲劳寿命为计算准则的。疲劳寿命越长，意味着在正常运维条件下轴箱轴承的耐久性越好，可以满足更长的免维护周期（250km/h和350km/h速度等级的和谐号动车组轴箱轴承免维护周期由原120X104km提高至145X104km,复兴号动车组轴箱轴承免维护周期则要求达到165X104km）0提高疲劳强度的措施有：采用高纯净度、高均匀性的钢材；采用使零件表面形成残余压应力的渗碳或贝氏体热处理工艺；在保证轴承零件不发生“危险性失效”的前提下，尽可能将材料硬度靠近标准规定的上限：滚子与滚道面硬度的合理匹配（如日系轴承的滚子硬度规定为5866HRC,略高于套圈硬度的规定5565HRO；采用1级及更严的超声波探伤，以及磁粉探伤、涡流探伤等无损检测手段：增加对钢材中钛含量的控制要求（EN12080：2017）,加严对氧含量的控制指标。3）耐磨损。工作表面磨损与材料疲劳剥落一样，属于累积失效现象，是轴承的正常失效形式之一。滚道与滚子表面磨损后会导致轴承游隙增大，载荷分布区减小，接触应力增高，疲劳寿命降低，另外，还会使得轴承运转不平稳，高速性能降低。增加耐磨损的措施有：保证材料硬度处于一定范围内；采用贝氏体替代马氏体热处理。除以上3个核心技术质量特性外，还有其他一些重要特性，如耐锈蚀，其既与材料有关（铭可增强钢材的耐蚀性；铝与格的配合可进一步增强钢材的耐蚀性），也与轴承润滑、密封等有关。轴箱轴承另最关键的性能一一温升（监测温度超过定限值将会预警、报警及停车，而低温升则可显著提高润滑脂寿命，有利于延长轴承的免维护周期），主要与轴承减摩设计与制造、润滑脂理化性能与注脂量及分布等有关，与材料特性的关联度不大（若钢材具有良好的抗烧萄性则更好）。3、自主化研制高铁轴承钢的技术路线及改进方向自主化研制高铁轴承钢，目前采用的主导技术路线是渗碳钢,冶炼方式为“真空脱气+电渣重熔”。同时开展的另一主要技术路线为真空脱气钢。O采用渗碳钢，在我国铁路货车、机车轴承的生产与运维中积累了长期经验，技术成熟度较高，对保证高铁轴箱轴承的可靠性与安全性更有把握。2）采用“真空脱气+电渣重熔”冶炼方法（以真空脱气钢坯作为电渣重熔的电极），可更进步提高钢材质量水平。真空脱气是现行最具性价比的轴承钢常规冶炼方式，在兼顾经济性的同时，可以生产出氧含量极低（世界最高水平为0.0003%0.000低）、纯净度很高的高质量等级轴承钢，如美国Timken公司宣传其真空脱气钢达到了电渣重熔钢水平,其中氧化夹杂物水平降低至电渣重熔钢的F1.本山阳特钢也有类似的介绍：其真空脱气钢的氧含量、接触疲劳寿命与真空自耗钢相同。从上述世界顶级特钢企业的推介可以看出，高品质真空脱气钢的对标与替代产品是电渣重熔钢或真空自耗钢。电渣重熔和真空自耗都属F特殊冶炼方式，专门用于有更高性能要求的钢材生产。其中电渣重熔钢尽管氧含量高于真空脱气钢，但非金属夹杂物细小均匀弥散，成分均匀性和组织致密性很高，且一般没有缩孔、疏松等缺陷，钢锭表面光洁无发纹，热塑性好有利于锻造加工等，是我国在高可靠性轴承（军工、铁路、风电等轴承）领域的首选或优选材料。我国GB/T3203-2016渗碳轴承钢标准5中也有专门规定：高级优质钢宜经电渣重熔冶炼。3）真空脱气钢尚需进一步攻关。我国真空脱气轴承钢的质量水平尽管有了长足进步，已被多家国际著名轴承公司认证采购，但早期主要用于通用轴承及部分要求不高的专用轴承，最近才开始在机床主轴、风电增速器、高铁轴箱等高端轴承上逐步开展试验验证与扩大应用。而且由于一些特钢企业真空脱气钢的冶炼方式、装备水平及技术能力所限，即使是其“高标准等级”的钢材，在性能质量水平及一致性、稳定性方面还存在着定的波动现象以及需进步改进的空间。对所研制高铁轴承钢进行检测试验，真空脱气钢与电渣重熔钢相比，在一些关键指标上仍然存在着比较明显的差距：在【），Ds类夹杂物上，真空脱气钢比电渣垂熔钢高一个级别：采用1级超声波进行检测，真空脱气钢仍会检出个别或小比例的超标缺陷，而电渣重熔钢未出现不合格问题；以材料接触疲劳试验的1.1.O寿命来评价，真空脱气钢为2.54X107次，电渣重熔钢为4.99X107次，后者比前者高了近1倍。因此，现阶段采用真空脱气+电渣重熔的冶炼方法是安全系数更高的最好选择，可以保证自主化研制迈出第一步取得成功的概率更大；但从产业化必须具备经济性这一更长远的内在要求出发，真空脱气钢是最有发展前景的（日系高铁轴箱轴承从早期采用真空熔炼钢过渡到真空脱气钢，SKF轴箱轴承采用真空脱气钢且表现良好就是实证），但前提是钢材的实物质量特别是核心质量指标必须达到及超过日本EP钢、SKF3钢的水平。若更超前些，应该从装备与技术入手进行升级，实物质量瞄准F1.本山阳特钢最新推出的主要用于高铁、风电等高可靠性领域轴承的SURP钢（极纯净钢），对标甚至超越世界领先水平。存在可以改进的问题及方向：1）对影响钢材水平的因素及指标控制应基于精准识别，深度研究，有针对性地加严。不知就里、不加甄别地全面加严，或者对不该加严的指标进行加严，本身就不是科学加严而是百目加严。这样做不仅在材料试制阶段人为设置技术难点，徒增冶炼难度，更为以后在规模化生产中必须具备''经济+高效”的特征带来很大难题。例如，对于化学成分，应重点对氢、铜、磷（导致材料脆断危害）和氧、钛（降低材料疲劳强度）等元素的含量进行控制，而对轴承性能和寿命影响不敏感的其他一些元素则没必要加严压缩：对于氧含量，往往突出这一指标来评价电渣重熔钢与真空脱气钢的材质优劣是不合理的。因为氧含量实际上属于“代用质量特性”，而夹杂物才是“真正质量特性”，即控制氧含量的目的是控制危害较大的硬质氧化夹杂物。尽管电渣重熔钢的氧含量相对略高一些，但在重熔过程中自耗电极的原始夹杂物基本都被除去，新夹杂物在金属熔池冷却结晶环节中生成，聚集长大的可能性减小，一般不会产生有害的大颗粒夹杂物，因而其独特的优越性能就是“非金属夹杂物细小、分布均匀以及疲劳寿命高”6。目前要求电渣重熔钢的氧含量不大于0.001%,还多被诟病是妥协的产物（与真空脱气钢相比），但在实际生产中控制起来是比较困难的，完全可以放宽一些一一前述的接触疲劳试验寿命足够超长也反证了这观点。2）在热处理技术上，对于渗碳钢，应继续开展渗碳层有效深度、表面与心部的硬度匹配、硬度梯度曲线等的深入研究，从模仿研制走向掌握核心技术，建立更高精准度和可信度的计算公式与优化模型;对于高碳格钢，应着手开展类似SK卜'二部贝氏体热处理工艺的研究，缩短热处理时间，提高效率，降低成本，而组织与性能则更为优良。3）瞄准世界前沿技术，布局安排“极纯净钢”的研发，以期满足高铁动车组向更高运行时速、更长维护周期发展的要求,为新代高铁轴箱轴承研制奠定坚实的技术储备。4）“安全性”毋庸置疑是高铁轴箱轴承的第一要素，但“经济性”也是铁路物资采购中的另一重要准则。高铁轴箱轴承作为集中采购的零部件,成本控制在今后产业化中是必须面对的重大问题。材料成本在总成本中占比最大，因此特钢企业从研制走向量产时仍能提供高性价比的高铁轴承钢，是后续需要攻关的另一个重要方向。4、结束语在迄今尚在开展的高铁轴箱轴承自主化研制中，轴承套圈材料方面集成了日系轴承（渗碳钢）与欧系轴承（FAG的真空脱气+电渣重熔）优势，形成了中国高铁轴承钢的自主化技术路线，是现阶段最具合理性与可行性的解决方案。欧系轴承在确保可靠性的同时，还兼顾经济性：日系轴承宁肯牺牲部分经济性，也要确保高可靠性一一这2种技术理念无谓优劣高低，都值得学习尊崇，只是基于各自的国情特点以及不同企业的技术积淀、技术经验、技术传统甚至技术偏好而采取的不同做法，这也体现了从技术实力出发而展现出的技术自信。目前业已开始的装车考核，是对自主化研制高铁轴箱轴承及其材料性能质量的真正考验。期间即使发生一些问题，也是研制过程中的正常现象，应给予一定的宽容与包容，使其进一步改进完善、成长成熟。相信自主化研制高铁轴承钢一定会取得成功，并推动国产高端轴承钢取得更快进步与更大发展。