摘要：摘 要针对某铁路轴箱用双列圆锥滚子轴承内圈异常二次磷化后轴承运行过程中出现严重发热故障的问题，进行相关试验以进一步研究内圈二次磷化导致轴承失效的机理。试验结果表明：相较于正常一次磷化，内圈二次磷化的磷化膜厚度更大，磷化腐蚀层更深，膜层附着力较弱，更易磨损脱落；

摘 要针对某铁路轴箱用双列圆锥滚子轴承内圈异常二次磷化后轴承运行过程中出现严重发热故障的问题，进行相关试验以进一步研究内圈二次磷化导致轴承失效的机理。试验结果表明：相较于正常一次磷化，内圈二次磷化的磷化膜厚度更大，磷化腐蚀层更深，膜层附着力较弱，更易磨损脱落；二次磷化轴承经跑合试验后，内圈磷化膜短期内出现大量磨损，导致轴向游隙异常增大，进而使轴承出现比较严重的偏载现象，同时润滑脂润滑性能下降，内部摩擦发热增大，导致轴承发生严重发热故障。

关键词滚动轴承；铁路轴箱轴承；双列圆锥滚子轴承；磷化处理；温升；涂层附着力；磨损量

1概述

铁路货车走行部（图1）轴箱一般为半开放式轴箱，其结构如图2所示，货车车厢重量通过转向架承载鞍压在轴承外径上半部承载面，轴承内径与车轮轴过盈连接。轴承外径下半部暴露在外界恶劣环境中，容易生锈腐蚀，并且长期的风吹雨淋会使轴承密封磨损、变形、老化等，从而使外界水分侵入轴承内部，加速腐蚀。货车轴承寿命要求为8 a或80×104 km，为减缓轴承表面腐蚀，保障使用寿命，《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》及文献［1-2］规定，必须按图纸对轴承零件进行表面磷化处理，要求磷化膜均匀，色泽基本一致，不能出现花斑，磷化膜的耐腐蚀性能用标准CuSO4溶液进行测试，3 min内不能腐蚀。文献［3-7］对高温锰系和中温锌钙系磷化工艺、磷化膜的形成、防锈和磨损机理进行了大量研究，对本文一次中温磷化与二次高温磷化的成膜质量、滚道面磨损状态分析起到借鉴作用。

图1 铁路货车走行部典型结构Fig.1 Typical structure for running parts of railway freight car

1—轮对；2—侧架；3—旁承；4—摇枕；5—制动装置；6—减震装置；7—弹簧；8—滚动轴承。

图2 铁路轴承半开放式轴箱示意图Fig.2 Diagram of semi-open axle box for railway bearing

磷化过程是磷酸溶液与轴承钢表面通过化学和电化学反应形成磷酸盐化学转化膜（磷化膜）的过程。磷化主要为基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀。

磷化按成膜体系主要分为：锌系、锌钙系、锌锰系、锰系、铁系、非晶相铁系六大类。铁路轴承的磷化主要采用锰系高温磷化和锌系中温磷化，且只能做一次磷化。

1）锰系高温磷化

处理温度为80 ~ 98 ℃，时间为6 ~ 8 min，磷化膜厚度一般为4 ~ 7 µm。优点：膜抗蚀力强，结合力好，缺点：加温时间长，溶液挥发量大，能耗大，磷化沉积多，游离酸度不稳定，结晶粗细不均匀。由于大修的货车轴承运行时间长，表面缺陷较多，高温磷化可形成比较厚的磷化膜，对轴承外表面覆盖、防腐蚀效果较好，一般采用高温磷化工艺。

2） 锌系中温磷化

处理温度为50 ~ 75 ℃，时间为4 ~ 6 min，磷化膜厚度一般为2 ~ 5 µm。中温磷化节能环保，磷化层细密均匀，具有游离酸度稳定，结晶细且均匀，磷化时间短，耐蚀性与高温磷化膜基本相同的优点，目前许多新轴承套圈均采用中温磷化工艺。

由于内部管理问题，一批铁路货车轮对用352226X2-2RZ型双列圆锥滚子轴承内圈表面先做了一次锌系中温磷化处理，后续又做了一次锰系高温磷化处理（文中称二次磷化）。轴承装车运行3 000 km后，出现严重发热故障，因此本文研究了异常二次磷化对轴承性能的影响。

2磷化膜的状态和性能对比

2.1 外观

内圈正常一次锰系高温磷化（简称一次磷化）和二次磷化后的磷化膜（图3）均外观均匀，色泽一致，无花斑、异色等缺陷，无明显差异。

图3 磷化后内圈外观Fig.3 Appearance of inner ring after phosphating

2.2 耐蚀性

采用CuSO4溶液滴定试验法对内圈滚道面磷化膜进行耐蚀性测试，要求液滴从天蓝色变为红褐色时间不小于3 min，2种磷化膜的耐蚀性均满足要求，因此一次磷化和二次磷化对磷化膜耐蚀性无明显影响。

2.3 磷化膜厚度

使用HCC-24测厚仪对内圈滚道面磷化膜厚度进行检测，结果见表1，与一次磷化相比，二次磷化后磷化膜厚度明显增加，平均增厚在4 μm以上。

表1 磷化膜厚度Tab. 1 Thickness of phosphating film

2.4 磷化膜附着力

2种内圈磷化状态轴承在26X2型铁路轴承试验机上以800 r/min的转速进行5 min无载荷（不注脂）转动测试后，二次磷化内圈表面磷化膜明显脱落（图4），最大脱落颗粒达到0.5 mm×0.7 mm；一次磷化内圈未发现磷化膜磨损脱落。因此，与一次磷化内圈相比，二次磷化内圈表层的磷化膜结晶更粗，在轴承工作面磨合过程中更易磨损脱落。

图4 二次磷化膜脱落物照片Fig.4 Photo of substances fell off from secondary phosphating film

2.5 微观组织

分别对一次磷化和二次磷化内圈滚道中部进行线切割取样，试样抛光后用4%浓度硝酸酒精腐蚀，采用奥林巴斯bx53m金相显微镜进行金相观察，其结果如图5所示：一次磷化内圈滚道表面的腐蚀层均匀分布，局部腐蚀最深处为20 μm；二次磷化内圈滚道表面腐蚀程度较重且不均匀，局部腐蚀最深处为49 μm。

图5 内圈滚道磷化表面的微观组织Fig.5 Microstructure of phosphating Surface on inner ring raceway

为进一步确认二次磷化内圈滚道腐蚀坑沟底腐蚀产物，采用蔡司Sigma500发射扫描电子显微镜对其进行EDS（Energy Dispersive Spectrometer）成分分析，结果如图6所示：蚀坑处腐蚀产物主要成分为O，P，Mn，其产生与局部的磷化腐蚀过度有关。

图6 腐蚀产物EDS成分分析Fig.6 EDS component analysis of corrosion products

2.6 小结

综上可知，一次磷化与二次磷化的磷化膜外观和耐蚀性无明显差异，但二次磷化的磷化膜更厚，表面腐蚀层更深且分布不均匀，在受载摩擦过程中容易脱落，会对轴承内圈滚道表面的受力状态、摩擦损耗和润滑脂状态产生不利影响。

3跑合试验

为进一步对比内圈一次磷化与二次磷化对轴承实际使用性能的影响，对2种磷化状态内圈的轴承进行跑合试验。

3.1 试验设备

26X2型铁路轴承试验机采用驱动电动机连接联轴节进行驱动，轴承安装在试验轴上，通过加载杆对轴承加载，试验机可以实时监测轴承运行温度和振动，如图7所示。

图7 试验设备结构Fig.7 Structure of test equipment

3.2 试验方法

采用2套尺寸精度合格的同批次352226X2-2RZ型双列圆锥滚子轴承（表2）进行对比试验，轴承转速为850 r/min（按货车120 km/h运行速度折算），径向载荷为80 kN，测试时长为48 h，环境温度为室温（未加风扇等外部强制冷却装置）。试验时，由分布在轴承外径面上的温度传感器实时将数据反馈给计算机，直至48 h试验结束，再由计算机将每套轴承的温度数据拟合成曲线。

表2 试验轴承套圈状态Tab. 2 Status of test bearing rings

对试验后的轴承进行分解和外观检查，通过泰勒霍普森轮廓仪对不同磷化状态内圈滚道面磨损程度进行检测，对润滑脂外观状态及主要物理性能进行检测。基于测试结果分析内圈二次磷化对轴承性能的影响。

3.3 试验结果及分析

3.3.1 轴承温升

3.3.1.1 一次磷化轴承温升

一次磷化轴承跑合试验开始运行后，温度逐渐上升（图8），约4 h（模拟运行480 km）后出现最高峰值59.7 ℃（环境温度10 ℃，温升49.7 ℃），运行约9 h后（模拟运行1 080 km）稳定在46 ℃左右（环境温度15 ℃，温升31 ℃），继续运行温度没有明显变化。

图8 一次磷化轴承跑合试验的温度曲线Fig.8 Temperature curve of bearing with primary phosphating under running-in test

3.3.1.2 二次磷化轴承温升

二次磷化轴承跑合试验开始运行后，温度明显上升（图9），3 h（模拟运行360 km）时出现第1个峰值70.4 ℃（环境温度15 ℃，温升55.4 ℃），达到微热报警温度；继续运行一段时间后，温度下降并稳定在49 ℃左右，运行20 h后，温度再次上升，并在24 h（模拟运行2 880 km）后出现最高峰值87.4 ℃（环境温度16.3 ℃，温升71.1 ℃），达到强热报警温度，试验停止。

图9 二次磷化轴承跑合试验的温度曲线Fig.9 Temperature curve of bearing with secondary phosphating under running-in test

3.3.2 轴承分解情况

3.3.2.1 外观

跑合试验后2套轴承外圈、滚子外观状态无明显差异，内圈滚道面磨损状态如图10所示：二次磷化内圈滚道已露出金属光泽，磷化膜几乎完全磨损脱落；一次磷化内圈滚道尚有磷化膜附着。

图10 跑合试验后轴承内圈滚道面外观Fig.10 Appearance of bearing inner ring raceway surface after running-in test

3.3.2.2 套圈滚道磷化膜磨损状态

套圈滚道表面轮廓检测情况如图11所示：二次磷化的两内圈滚道表面磨损量分别为7.5，5.0 μm，对应一次磷化外圈滚道表面磨损量分别4.2，3.8 μm。由此可计算单边内外圈滚道表面磷化膜的磨损量分别为11.7，8.8 μm，平均约10 μm，双边内外圈滚道表面磷化膜磨损量约20 μm，即轴承轴向游隙增大0.02 mm。经X794-26游隙仪测量二次磷化轴承未压装时轴向游隙由0.70 mm（跑合前）增大到0.83 mm（跑合后）。

图11 跑合试验后轴承套圈滚道面轮廓Fig.11 Surface profile of bearing ring raceway after running-in test

一次磷化轴承内圈滚道面轮廓检测情况如图12所示，滚道表面磨损量仅为2.2 μm。经X794-26游隙仪测量一次磷化轴承未压装时轴向游隙由0.68 mm（跑合前）增大到0.70 mm（跑合后）。

图12 跑合试验后一次磷化轴承内圈滚道面轮廓Fig.12 Surface profile of inner ring raceway of bearing with primary phosphating after running-in test

综上可知，二次磷化内圈滚道表面磨损量更大并导致轴向游隙显著增大，过大的轴向游隙会导致双列圆锥滚子轴承在实际工况中出现偏载，从而出现滚子与套圈局部异常接触情况，该状态下会使轴承内部摩擦发热量显著增加。

通过ANSYS有限元对双列圆锥滚子轴承压装后轴向游隙超过上限0.10 mm状态下的滚子与滚道、挡边接触状态进行模拟，如图13所示：轴向游隙大于0.10 mm后，轴承会明显出现一侧滚道偏载，产生滚子与内圈滚道、挡边应力集中的异常接触姿态。

图13 轴承偏载状态有限元分析Fig.13 Finite element analysis of bearing under partial load state

3.3.3 润滑脂状态

3.3.3.1 外观

跑合试验后2套轴承润滑脂外观如图14所示：二次磷化轴承润滑脂已呈黑色，这是因为脱落的黑色磷化膜颗粒与润滑脂搅拌磨合使润滑脂颜色变为黑色；一次磷化轴承润滑脂色泽基本与原始润滑脂外观一致，呈深棕色。

图14 轴承跑合后润滑脂外观Fig.14 Appearance of grease for bearing after running-in test

3.3.3.2 物理性能

试验轴承润滑脂的物理性能见表3：与一次磷化轴承润滑脂相比，二次磷化轴承经跑合后润滑脂相似黏度显著增加，反应出轴承回转，尤其是启动时的摩擦阻力会更大；工作锥入度增大，并已超出上限，不利于轴承重载工况下的润滑；润滑脂内机械杂质含量明显增多，会加速轴承零件工作面间的摩擦损耗，增大摩擦阻力。因此，二次磷化轴承跑合过程中磷化膜的磨损脱落对润滑脂物理性能产生了不利影响。

表3 试验轴承润滑脂的物理性能Tab. 3 Physical properties of grease for test bearing

4二次磷化轴承故障原因分析

与一次磷化轴承相比，跑合试验中二次磷化轴承出现2个峰值温度：

1）第1个峰值温度在一次磷化轴承运行过程中也存在，主要是轴承运行初期内部润滑脂搅动摩擦较大所致，但二次磷化轴承的峰值温度较高，温升约55 ℃，达到微热报警标准，这主要是由于二次磷化膜已有一定磨损，但对润滑的影响还未充分暴露。

2）在润滑脂搅动完成后，轴承进入基本稳定状态，磷化膜磨损对润滑的影响越来越大，轴承磨损不断增加，温度不断上升；同时，轴向游隙增大，导致承载区减小，接触应力增大，运行稳定性降低，且容易导致两列滚子受力不均匀，产生单列滚子受力过大，局部摩擦增大的情况。因此运行一段时间后出现了更高的第2个峰值温度，温升达到71.1 ℃，并触发强热报警。

整个试验情况与故障轴承在铁路上的运行情况基本相符，所以内圈二次磷化磷化膜的快速磨损是导致轴承严重发热的主要原因。

5结论

本文通过对于异常二次磷化轴承和正常一次磷化轴承的对比试验分析，得出以下结论：

1）一次磷化轴承在运行初期由于内部润滑状态不稳定，短期内会出现温升，运行稳定后，温度下降，会维持在一个相对稳定的范围内。

2）二次磷化轴承表面磷化膜附着力差，运行过程中表面磷化膜快速磨损，使润滑脂污染，降低表面润滑效果，增大摩擦阻力，导致温度升高；磷化膜异常磨损，同时会导致轴向游隙增大，使轴承内部滚子受力不均匀，接触应力增大，发热增加。

来源：小夏说科技