冲击韧性在高速线材轧机轴承选材中的关键作用

高速线材轧机作为现代钢铁工业的核心设备，其轴承在极端工况下运行。以出口线速度63-100m/s的高速线材生产线为例，轧机轴承不仅需要承受高速旋转带来的复杂应力，更要应对轧制过程中产生的巨大冲击载荷。

特别是在粗轧机阶段，将连铸方坯轧制成棒料的过程中，冲击载荷尤为剧烈，轴承的冲击韧性直接关系到设备的可靠性和寿命。本文将深入探讨冲击韧性在高速线材轧机轴承选材中的关键作用。

01 高速线材轧机的冲击载荷环境与轴承性能挑战

高速线材轧机的工作环境极为特殊和苛刻。粗轧机在将连铸方坯轧制成棒料的过程中，产生的冲击载荷极大，实测数据显示，大冲击力甚至超出稳定轧制状态下轧制力的45%以上。

这种高转速、高冲击的工作条件对轴承材料提出了特殊要求。轴承不仅需要具备高耐磨性和长疲劳寿命，更需要优异的冲击韧性，以保证在高冲击状态下不发生破裂现象。

冲击载荷对轴承的破坏性远高于稳定载荷。在高速旋转条件下，即使短暂的冲击载荷也可能导致轴承零件表面产生微裂纹，这些微裂纹在交变应力作用下会迅速扩展，终导致轴承早期失效。

因此，在高速线材轧机轴承选材时，冲击韧性成为与硬度、耐磨性同等重要的核心性能指标，三者之间需要精细平衡。

02 冲击载荷对轴承的损伤机制与失效分析

冲击载荷对轴承造成的损伤主要表现为表面剥落、裂纹甚至整体断裂。当轧件咬入时，轴承承受的瞬时冲击力远超正常轧制力，这种过载行为会在轴承零件内部产生巨大的应力集中。

应力集中现象多发生在材料缺陷或结构变化处，如夹杂物周围、沟槽边缘或截面突变区域。在周期性冲击载荷作用下，这些应力集中区域会首先产生微裂纹，随着裂纹扩展终导致材料疲劳剥落。

另一方面，高速线材轧机在工作中还存在偏载问题。根据机构学分析，轧机工作辊辊系在受载后存在超静定问题，当轧辊和轧辊轴受力弯曲时，轴承会产生偏载行为。如果轴承内外圈的不对心度超过0.05°，轴承寿命将明显降低。

偏载会加剧冲击载荷的不利影响，使轴承局部区域承受异常高的应力，加速轴承失效进程。

03 高冲击韧性轴承材料的优选与热处理创新

针对高速线材轧机的高冲击载荷工况，轴承材料的选择需要特别考虑冲击韧性指标。常见的做法是内圈采用渗碳钢，外圈用高碳铬钢制造。

这种差异化的材料选择基于轴承各部分的不同工作状态和性能要求。内圈壁较厚，需要更高的整体韧性，故采用渗碳钢；外圈壁较薄，更注重表面硬度，故选用高碳铬钢。

热处理工艺对轴承材料的冲击韧性有决定性影响。对于高碳铬钢外圈，采用等温淬回火工艺获得下贝氏体组织，可以较好地兼顾轴承的强度、耐磨性、冲击韧性及疲劳寿命等性能指标。

贝氏体组织相较于马氏体具有更好的韧性，能够提高轴承钢的抗冲击能力。

热处理硬度也需根据轧机不同区段的工作特性进行差异化设计。粗轧机速度相对较低而冲击载荷大，轴承零件硬度相对偏低，以保障足够的冲击韧性；精轧机速度高而冲击载荷小，轴承零件的硬度可适当提高；中轧机用轴承的硬度则介于二者之间。

这种差异化设计确保了轴承在各轧制阶段都能达到性能优。

04 冲击韧性与其它性能参数的平衡策略

在高速线材轧机轴承选材过程中，冲击韧性并非仅有的考量因素，需要与硬度、耐磨性、疲劳强度等性能参数进行综合平衡。硬度与韧性是一对相互制约的性能指标，需要根据具体应用场景找到好的平衡点。

对于承受较大冲击载荷的轴承，如轧机轴承、铁路轴承等，应适当降低硬度以提高轴承的韧性。一般认为，洛氏硬度在62（HRC）左右可得到高的接触疲劳寿命和足够的冲击韧性。

高速线材轧机轴承的表面与心部性能需要差异化设计。工作表面需要高硬度以确保耐磨性，而心部则需要高韧性以承受冲击载荷。通过渗碳热处理或表面强化工艺，可以实现“外硬内韧”的理想性能组合。

材料纯净度对轴承的抗冲击性能也有显著影响。钢中非金属夹杂物，特别是钛型夹杂物（碳氮化钛、氮化钛等）具有很高刚性且呈棱角状，极易造成应力集中，诱发疲劳裂纹，显著降低材料的冲击疲劳性能。

因此，高品质轴承钢需要严格控制氧含量和钛含量，以提高轴承在冲击载荷下的可靠性。

05 基于冲击韧性考虑的轴承选材与应用实践

在实际应用中，高速线材轧机不同区段的轴承选材需有不同侧重。粗轧机轴承应优先考虑冲击韧性，因为其工作特点是冲击载荷大而相对转速较低。

对于精轧机区域，由于冲击载荷相对较小而转速较高，选材时可适当侧重硬度和耐磨性，但仍需保证足够的冲击韧性。

轴承的安装与使用环节也直接影响其抗冲击性能。轴承游隙的选择对冲击载荷分布有重要影响，游隙过大会降低轴承的承载能力及寿命，产生更大的冲击载荷；游隙过小则可能导致轴温升高过快，甚至引发轴承烧灼。

轧机轴承座的调心性对避免冲击载荷下的偏载至关重要。轴承座应有良好的调心性，以避免轧辊挠曲变形而使轴承受到偏载。经常检查并调整牌坊窗口衬板基面，保持轴承座内孔轴线与之平行，可显著提高轴承的抗冲击能力。

随着高速线材生产技术的不断发展，对轧机轴承冲击韧性的要求将日益提高。未来轴承材料技术将更加注重多种性能参数的精细平衡，通过微观结构设计和热处理工艺创新，实现材料性能的精准调控。

对冲击韧性作用的深入理解，将有助于开发出更适应高速线材生产需求的新型轴承材料，为我国钢铁工业的高质量发展提供可靠支撑。