沖擊韌性在高速線材軋機(jī)軸承選材中的關(guān)鍵作用

高速線材軋機(jī)作為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的核心設(shè)備，其軸承在極端工況下運(yùn)行。以出口線速度63-100m/s的高速線材生產(chǎn)線為例，軋機(jī)軸承不僅需要承受高速旋轉(zhuǎn)帶來的復(fù)雜應(yīng)力，更要應(yīng)對軋制過程中產(chǎn)生的巨大沖擊載荷。

特別是在粗軋機(jī)階段，將連鑄方坯軋制成棒料的過程中，沖擊載荷尤為劇烈，軸承的沖擊韌性直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性和壽命。本文將深入探討沖擊韌性在高速線材軋機(jī)軸承選材中的關(guān)鍵作用。

01 高速線材軋機(jī)的沖擊載荷環(huán)境與軸承性能挑戰(zhàn)

高速線材軋機(jī)的工作環(huán)境極為特殊和苛刻。粗軋機(jī)在將連鑄方坯軋制成棒料的過程中，產(chǎn)生的沖擊載荷極大，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，大沖擊力甚至超出穩(wěn)定軋制狀態(tài)下軋制力的45%以上。

這種高轉(zhuǎn)速、高沖擊的工作條件對軸承材料提出了特殊要求。軸承不僅需要具備高耐磨性和長疲勞壽命，更需要優(yōu)異的沖擊韌性，以保證在高沖擊狀態(tài)下不發(fā)生破裂現(xiàn)象。

沖擊載荷對軸承的破壞性遠(yuǎn)高于穩(wěn)定載荷。在高速旋轉(zhuǎn)條件下，即使短暫的沖擊載荷也可能導(dǎo)致軸承零件表面產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋在交變應(yīng)力作用下會迅速擴(kuò)展，終導(dǎo)致軸承早期失效。

因此，在高速線材軋機(jī)軸承選材時，沖擊韌性成為與硬度、耐磨性同等重要的核心性能指標(biāo)，三者之間需要精細(xì)平衡。

02 沖擊載荷對軸承的損傷機(jī)制與失效分析

沖擊載荷對軸承造成的損傷主要表現(xiàn)為表面剝落、裂紋甚至整體斷裂。當(dāng)軋件咬入時，軸承承受的瞬時沖擊力遠(yuǎn)超正常軋制力，這種過載行為會在軸承零件內(nèi)部產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。

應(yīng)力集中現(xiàn)象多發(fā)生在材料缺陷或結(jié)構(gòu)變化處，如夾雜物周圍、溝槽邊緣或截面突變區(qū)域。在周期性沖擊載荷作用下，這些應(yīng)力集中區(qū)域會首先產(chǎn)生微裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展終導(dǎo)致材料疲勞剝落。

另一方面，高速線材軋機(jī)在工作中還存在偏載問題。根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)分析，軋機(jī)工作輥輥系在受載后存在超靜定問題，當(dāng)軋輥和軋輥軸受力彎曲時，軸承會產(chǎn)生偏載行為。如果軸承內(nèi)外圈的不對心度超過0.05°，軸承壽命將明顯降低。

偏載會加劇沖擊載荷的不利影響，使軸承局部區(qū)域承受異常高的應(yīng)力，加速軸承失效進(jìn)程。

03 高沖擊韌性軸承材料的優(yōu)選與熱處理創(chuàng)新

針對高速線材軋機(jī)的高沖擊載荷工況，軸承材料的選擇需要特別考慮沖擊韌性指標(biāo)。常見的做法是內(nèi)圈采用滲碳鋼，外圈用高碳鉻鋼制造。

這種差異化的材料選擇基于軸承各部分的不同工作狀態(tài)和性能要求。內(nèi)圈壁較厚，需要更高的整體韌性，故采用滲碳鋼；外圈壁較薄，更注重表面硬度，故選用高碳鉻鋼。

熱處理工藝對軸承材料的沖擊韌性有決定性影響。對于高碳鉻鋼外圈，采用等溫淬回火工藝獲得下貝氏體組織，可以較好地兼顧軸承的強(qiáng)度、耐磨性、沖擊韌性及疲勞壽命等性能指標(biāo)。

貝氏體組織相較于馬氏體具有更好的韌性，能夠提高軸承鋼的抗沖擊能力。

熱處理硬度也需根據(jù)軋機(jī)不同區(qū)段的工作特性進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。粗軋機(jī)速度相對較低而沖擊載荷大，軸承零件硬度相對偏低，以保障足夠的沖擊韌性；精軋機(jī)速度高而沖擊載荷小，軸承零件的硬度可適當(dāng)提高；中軋機(jī)用軸承的硬度則介于二者之間。

這種差異化設(shè)計(jì)確保了軸承在各軋制階段都能達(dá)到性能優(yōu)。

04 沖擊韌性與其它性能參數(shù)的平衡策略

在高速線材軋機(jī)軸承選材過程中，沖擊韌性并非僅有的考量因素，需要與硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能參數(shù)進(jìn)行綜合平衡。硬度與韌性是一對相互制約的性能指標(biāo)，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景找到好的平衡點(diǎn)。

對于承受較大沖擊載荷的軸承，如軋機(jī)軸承、鐵路軸承等，應(yīng)適當(dāng)降低硬度以提高軸承的韌性。一般認(rèn)為，洛氏硬度在62（HRC）左右可得到高的接觸疲勞壽命和足夠的沖擊韌性。

高速線材軋機(jī)軸承的表面與心部性能需要差異化設(shè)計(jì)。工作表面需要高硬度以確保耐磨性，而心部則需要高韌性以承受沖擊載荷。通過滲碳熱處理或表面強(qiáng)化工藝，可以實(shí)現(xiàn)“外硬內(nèi)韌”的理想性能組合。

材料純凈度對軸承的抗沖擊性能也有顯著影響。鋼中非金屬夾雜物，特別是鈦型夾雜物（碳氮化鈦、氮化鈦等）具有很高剛性且呈棱角狀，極易造成應(yīng)力集中，誘發(fā)疲勞裂紋，顯著降低材料的沖擊疲勞性能。

因此，高品質(zhì)軸承鋼需要嚴(yán)格控制氧含量和鈦含量，以提高軸承在沖擊載荷下的可靠性。

05 基于沖擊韌性考慮的軸承選材與應(yīng)用實(shí)踐

在實(shí)際應(yīng)用中，高速線材軋機(jī)不同區(qū)段的軸承選材需有不同側(cè)重。粗軋機(jī)軸承應(yīng)優(yōu)先考慮沖擊韌性，因?yàn)槠涔ぷ魈攸c(diǎn)是沖擊載荷大而相對轉(zhuǎn)速較低。

對于精軋機(jī)區(qū)域，由于沖擊載荷相對較小而轉(zhuǎn)速較高，選材時可適當(dāng)側(cè)重硬度和耐磨性，但仍需保證足夠的沖擊韌性。

軸承的安裝與使用環(huán)節(jié)也直接影響其抗沖擊性能。軸承游隙的選擇對沖擊載荷分布有重要影響，游隙過大會降低軸承的承載能力及壽命，產(chǎn)生更大的沖擊載荷；游隙過小則可能導(dǎo)致軸溫升高過快，甚至引發(fā)軸承燒灼。

軋機(jī)軸承座的調(diào)心性對避免沖擊載荷下的偏載至關(guān)重要。軸承座應(yīng)有良好的調(diào)心性，以避免軋輥撓曲變形而使軸承受到偏載。經(jīng)常檢查并調(diào)整牌坊窗口襯板基面，保持軸承座內(nèi)孔軸線與之平行，可顯著提高軸承的抗沖擊能力。

隨著高速線材生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對軋機(jī)軸承沖擊韌性的要求將日益提高。未來軸承材料技術(shù)將更加注重多種性能參數(shù)的精細(xì)平衡，通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱處理工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

對沖擊韌性作用的深入理解，將有助于開發(fā)出更適應(yīng)高速線材生產(chǎn)需求的新型軸承材料，為我國鋼鐵工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供可靠支撐。