国外盾构机主轴承滚子材料及热处理质量分析

董汉杰，王明礼，李昭昆，沈伟毅

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

盾构机主轴承是盾构机的关键部件，使用在盾构刀盘系统上，其寿命和可靠性直接影响盾构机械的施工安全。目前，国内的盾构机主轴承市场完全被国外垄断。要实现盾构技术国产化，就要自主研发制造盾构机主轴承。由于盾构机工作环境恶劣，主轴承受力复杂，在重载、变载条件下工作，要承受轴向力、径向力、倾覆力矩等联合载荷。滚子的性能、可靠性和寿命是决定盾构机主轴承寿命和可靠性的关键因素，因此，了解和掌握国外先进企业盾构机主轴承滚子的材料和热处理质量对于盾构机主轴承的国产化具有非常重要的意义。

1 化学分析

采用瑞士ARL 4460直读光谱仪对国内外盾构机主轴承滚子样品的化学成分进行检测，结果见表1,国内滚子材料为GCr18Mo，表中标准值为GB/T 18254—2002要求值。由表可知，国外盾构机主轴承滚子材料的C，Cr，Si及微量元素、杂质元素含量与GCr18Mo相近，但Mn和Mo元素含量偏高，因此，可以判定国外盾构机主轴承滚子采用的材料属于GCr18Mo 高碳铬轴承钢。

表1 国内外盾构机主轴承滚子化学成分对比 w,%

由于盾构机主轴承滚子受力复杂，且滚子尺寸比较大(φ100 mm×100 mm)，为了满足服役条件，滚子的心部也必须具有高的强度，因此，要求材料必须具备高的淬透性。国外盾构机主轴承滚子的材料提高Mn元素的含量，主要是为了提高钢的淬透性以及强化基体；适当提高Mo元素含量不仅可以提高淬透性，还可以克服由于Mn元素含量的提高所带来的回火脆性问题。

2 金相分析

采用OLYMPUS GX51光学显微镜对国外盾构机主轴承滚子进行金相组织检测，表面和心部金相组织分别如图1和图2所示。采用的侵蚀剂为4%硝酸酒精溶液。

图1 表层金相组织

图2 心部金相组织

对比图1和图2可以明显看出，心部组织中存在大量的未溶碳化物(图中白色亮点)和屈氏体(深灰色区域)组织。出现未溶碳化物的原因是在同样的淬火加热保温时间下，心部的等效保温时间比表面短，奥氏体化不够充分，致使大量的碳化物未溶入奥氏体中。出现屈氏体组织的原因是由于滚子尺寸大，在同样的冷却条件下，心部没有获得贝氏体所需要的冷却速度。

对试样进行金相分析的目的是确定国外盾构机主轴承滚子的组织是马氏体还是下贝氏体或者是两者的复合组织，从而判断其热处理工艺方法及参数。在低倍金相中，可以清晰看到的黑色针状组织大多为下贝氏体。下贝氏体是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。GCr18Mo属于高碳钢，淬火后得到的组织为片状马氏体(针状马氏体)，因此，在金相显微镜下，下贝氏体的组织形态与高碳马氏体极其相似，只有通过电子显微镜对其微观组织进行深入观察分析才可以做出精确判断。

3 透射电镜分析

采用日本电子2100高分辨透射电镜对国外盾构机主轴承滚子试样进行分析，取样位置如图3所示。试样尺寸为0.5 mm×10 mm×10 mm，用离子减薄的方法将试样厚度磨制到200～500 nm，然后进行透射电镜分析。

图3 取样位置示意图

初步观察发现，样品中主要是下贝氏体特征，在板条中有微小碳化物，也有少数不含碳化物的马氏体，统计结果判断有80%～90%左右的下贝氏体，有少量的马氏体和未溶的大块碳化物。透射电镜照片如图4～图6所示。

图4 贝氏体特征

图5 贝氏体特征和未溶碳化物

图6 贝氏体特征和马氏体

通过透射电镜分析可知，国外盾构机主轴承滚子在进行等温淬火时，为了提高滚子的强度和硬度从而提高滚子承载能力，采取了调整等温淬火工艺的方法，淬火后得到的不是单一的贝氏体组织，而是以贝氏体为主、含有少量马氏体的复合组织。这种复合组织不仅具有高强度和高硬度，而且具有良好的冲击韧性，可以满足盾构机主轴承苛刻的服役条件。

确定材料成分后，可以通过调整等温淬火工艺参数来调整贝氏体与马氏体的相对含量。影响贝氏体含量的主要因素有：

(1)加热温度 加热温度越高，奥氏体越稳定，等温淬火后残余奥氏体的含量越高，贝氏体的含量越少。

(2)等温温度 在相同等温时间情况下，等温温度越低，贝氏体的转变速度越低，残余奥氏体的含量越高，贝氏体的含量越低。

(3)等温时间 在相同的等温温度情况下，等温时间越短，贝氏体的转变越不充分，贝氏体含量越少，马氏体含量越多。

在影响贝氏体转变的因素中[1]，如果调整加热温度和等温温度，会带来很多不利因素，因此，二者的调整范围很小。在进行等温淬火时，可以通过减少等温时间调整贝氏体和马氏体相对含量，使贝氏体转变不完全，剩余的奥氏体可以转变成马氏体，从而使马氏体含量增加，提高滚子的强度和硬度。

4 硬度检查

为了掌握国外盾构机主轴承滚子的硬度及其分布情况，对滚子的端面由表及里进行了硬度检测，共检测了8个点。然后，将滚子沿长度的1/2处切开，磨削剖面，采用洛氏硬度计从其边缘向滚子的中心依次对滚子的表面硬度、心部硬度及其分布情况进行检测，共检测16个点，检测结果见表2。硬度检测位置如图7所示。

表2 国外盾构机主轴承滚子硬度检测结果

图7 硬度检测位置图

由表2可知，滚子端面的硬度比较高，均在60 HRC以上，且非常均匀，最大硬度差仅为1.1 HRC。

滚子硬度高的原因是国外滚子材料提高了Mn元素的含量并适当提高了Mo元素含量，使钢的淬透性得以提高；此外，在对滚子进行等温淬火时，滚子端面冷却速度比较快。

滚子硬度均匀的原因是国外材料成分和组织非常均匀，并且热处理时，滚子各个部位的冷却比较均匀。

由于盾构机主轴承滚子受力复杂，因此，不但要求滚子具有良好的韧性，还必须具有高强度和高硬度才能够满足其承受重载的要求。在滚子材料成分已经确定的情况下，滚子的硬度完全取决于其热处理工艺。从国外盾构机主轴承滚子选用的材料以及对其进行的组织分析可以确定，滚子采用的热处理工艺主要是贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火的目的是得到下贝氏体组织，该组织具有良好的综合力学性能，但是，如果采用常规的贝氏体等温淬火处理，得到的组织为100%下贝氏体组织，与马氏体组织相比，尽管韧性显著提高，但硬度相对较低，无法满足盾构机主轴承受力要求。

通过调整等温淬火工艺参数，改变等温淬火后得到贝氏体组织的形态、比例以及残余奥氏体的含量，可以提高等温淬火硬度。影响等温淬火后零件硬度的因素主要有：

(1)贝氏体组织的粗细程度。组织越细，硬度就越高。组织的粗细可以通过调整贝氏体等温淬火的等温温度来调整。等温温度越低，贝氏体组织越细，硬度越高。

(2)贝氏体的含量，即组织中贝氏体与马氏体的相对含量。贝氏体含量越高，组织中的马氏体含量越低，硬度也越低，反之亦然。组织中贝氏体的含量可以通过调整等温淬火的等温时间来调整。等温时间越长，组织中的贝氏体含量越高，马氏体含量就越低，硬度越低。由此可见，可以适当地缩短滚子等温淬火的等温时间，以增加组织中马氏体的含量，最终达到提高滚子硬度的目的。

(3)残余奥氏体的含量。残余奥氏体含量越高，硬度越低。

5 晶粒度分析

国外盾构机主轴承滚子晶粒度分析的结果如图8所示。试样位置如图3所示。采用的侵蚀剂为苦味酸+12烷基苯磺酸钠+盐酸水溶液。

图8 晶粒度

由图可知，滚子的晶粒度非常细小，达到了GB /T 6394《金属平均晶粒度测定方法》中的9级。影响晶粒度的因素有很多，最主要的是材料的化学成分及热处理时的加热温度和保温时间。热处理时的加热温度越高、保温时间越长，晶粒度越粗大，反之亦然。

钢的晶粒度对钢的性能有非常大的影响。由于晶界是位错运动的障碍,当变形到晶界位置时，会受到比较大的变形阻力，晶界可以把塑性变形限定在一定范围内，因此，晶界越多，钢的屈服强度越高。晶粒度级别越高，晶粒越细小，晶界的总面积越大，钢的屈服强度越高。由于晶界还可以阻止钢材微细裂纹的扩展，因此，细小的晶粒还可以提高钢的韧性。

6 结束语

通过对国外盾构机主轴承滚子全面的深入分析，初步掌握了滚子的材料成分、热处理组织、硬度、晶粒度以及残余奥氏体含量等，为我国盾构机主轴承的研制提供了技术支持，对盾构机主轴承的国产化具有重大意义。