Microstructure evolution during the ring rolling and heat treatment and high-performance manufacturing of high-speed railway bearings

HUA Lin; ZHOU Guanghua

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Microstructure evolution during the ring rolling and heat treatment and high-performance manufacturing of high-speed railway bearings

更新时间：2025-09-22

- Microstructure evolution during the ring rolling and heat treatment and high-performance manufacturing of high-speed railway bearings
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 9, Pages: 38-49(2025)
- 作者机构：
  
  1.高温轻合金及应用技术全国重点实验室，武汉 430070
  2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070
  3.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
- 作者简介：
  
  HUA Lin, E-mail: hualin@whut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Key Basic Research Program of China(2011CB706605);National Natural Science Foundation of China(52433016)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.002
  CLC：
- Received：27 April 2025，
  
  Revised：2025-06-15，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
华林，周光华. 高铁轴承轧制热处理组织演化与高性能制造［J］. 机械强度，2025，47（9）：38-49.

HUA Lin，ZHOU Guanghua. Microstructure evolution during the ring rolling and heat treatment and high-performance manufacturing of high-speed railway bearings［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：38-49.
华林，周光华. 高铁轴承轧制热处理组织演化与高性能制造［J］. 机械强度，2025，47（9）：38-49. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.002.

HUA Lin，ZHOU Guanghua. Microstructure evolution during the ring rolling and heat treatment and high-performance manufacturing of high-speed railway bearings［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：38-49. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.002.

摘要

为研究高铁轴承轧制成形、渗碳热处理、深冷处理组织性能遗传演化规律，建立了高铁轴承成形制造条件、组织状态、机械性能定量关系，确定了高铁轴承高性能成形制造最优工艺条件。采用电子背散射衍射（Electron Back-Scatter Diffraction

EBSD）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope

SEM）、X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）等微观组织测试技术和拉伸、摩擦磨损、滚动接触疲劳性能测试技术，揭示了高铁轴承环件在成形制造过程中的组织状态和机械性能演化规律，提出了高性能高铁轴承环件成形制造工艺方法。研究表明，轧制成形可以细化晶粒，促使渗碳一次淬回火后碳化物细化和位错密度增加，减小二次淬回火后晶粒和碳化物尺寸，提升碳化物体积分数。深冷处理工艺促进残余奥氏体分解和碳化物析出，降低残余奥氏体含量，提升残余奥氏体稳定性，减小碳化物平均尺寸，提升碳化物体积分数。应用最优轧制成形和渗碳热处理工艺，使高铁轴承耐磨性能提升82.7%，接触疲劳性能提升322.1%。研究成果可为高铁轴承高性能成形制造提供科学依据和技术方法。

Abstract

In order to study the evolution laws of microstructure and properties during the hot ring rolling

carburizing heat treatment

and deep cryogenic treatment of high-speed railway bearings

the quantitative relationships among the forming manufacturing conditions

microstructure states

and mechanical properties of high-speed railway bearings were established. The optimal process conditions for high-performance forming manufacturing of high-speed railway bearings were determined. The electron back-scatter diffraction (EBSD)

scanning electron microscope (SEM)

X-ray diffraction (XRD) microstructural testing technologies and tensile

friction and wear

rolling contact fatigue performance testing technologies were used to reveal the evolution laws of the microstructure and mechanical properties of high-speed railway bearing rings during the forming and manufacturing process

and a forming and manufacturing process method for high-performance high-speed railway bearing rings was proposed. The research shows that ring rolling can refine grains

promote the refinement of carbides and increase the dislocation density after carburizing once quenching and tempering

reduce the grain size and carbides

and improve the volume fraction of carbides after secondary quenching and tempering. The deep cryogenic treatment process promotes the decomposition of retained austenite and the precipitation of carbides

reduces the content of retained austenite

enhances the stability of retained austenite

decreases the average size of carbides

and increases the volume fraction of carbides. The wear resistance of high-speed railway bearings is improved by 82.7%

and the contact fatigue performance is improved by 322.1% by applying the optimal hot ring rolling and carburizing heat treatment processes. The research can provide a scientific basis and technical method for the high-performance forming manufacturing of high-speed railway bearings.

关键词

Keywords

references

中国轴承工业协会 . 中国战略性新兴产业研究与发展：轴承［M］. 北京：机械工业出版社， 2012 ： 84 - 146 .

China Bearing Industry Association . R&D of China’s strategic new industries：bearing ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2012 ： 84 - 146 . （In Chinese）

杜永明，刘吉远，张斌 . 铁路货车轴承失效机理及伤损图谱［M］. 北京：中国铁道出版社， 2015 ： 28 - 48 .

DU Yongming ， LIU Jiyuan ， ZHANG Bin . Failure mechanism and damage map of railway freight car bearings ［M］. Beijing ： China Railway Publishing House ， 2015 ： 28 - 48 . （In Chinese）

张关震，丛韬，张弘，等 . 铁路滚动轴承典型伤损形式及原因分析［J］. 铁道技术监督， 2016 ， 44 （ 1 ）： 22 - 25 .

ZHANG Guanzhen ， CONG Tao ， ZHANG Hong ， et al . Typical damage forms and cause study of rolling bearings in railway ［J］. Railway Quality Control ， 2016 ， 44 （ 1 ）： 22 - 25 . （In Chinese）

LIU D K ， LI Q ， HU W G ， et al . Fatigue life prediction of the axle box bearings for high-speed trains ［J］. DYNA ， 2017 ， 92 （ 5 ）： 538 - 544 .

LIN H ， ZHI Z Z . The extremum parameters in ring rolling ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 1997 ， 69 （ 1/2/3 ）： 273 - 276 .

华林 . 环件轧制理论和技术［M］. 北京：机械工业出版社， 2001 ： 101 - 197 .

HUA Lin . Theory and technology of ring rolling ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2001 ： 101 - 197 . （In Chinese）

HUA L ， PAN L B ， LAN J . Researches on the ring stiffness condition in radial-axial ring rolling ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2009 ， 209 （ 5 ）： 2570 - 2575 .

ZHOU G ， HUA L ， LAN J ， et al . FE analysis of coupled thermo-mechanical behaviors in radial-axial rolling of alloy steel large ring ［J］. Computational Materials Science ， 2010 ， 50 （ 1 ）： 65 - 76 .

TIAN D Y ， HAN X H ， HUA L ， et al . Constraining ring rolling of thin-walled conical rings with transverse ribs ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2022 ， 226 ： 107394 .

QIAN D S ， HUA L . Blank design optimization for stepped-section profile ring rolling ［J］. Science China Technological Sciences ， 2010 ， 53 （ 6 ）： 1612 - 1619 .

QIAN D S ， HUA L ， PAN L B . Blank design optimisation for T-section ring rolling ［J］. Ironmaking & Steelmaking ， 2009 ， 36 （ 6 ）： 462 - 469 .

HUA L ， DENG J D ， QIAN D S . Recent development of ring rolling theory and technique ［J］. International Journal of Materials and Product Technology ， 2017 ， 54 （ 1/2/3 ）： 65 - 87 .

CLARK A ， BOWERS R J ， NORTHWOOD D O . Heat treatment effects on distortion，residual stress，and retained austenite in carburized 4320 steel ［J］. Materials Science Forum ， 2014 ， 783/784/785/786 ： 692 - 697 .

曾宋文 . G20CrNi2MoA重载铁路轴承钢冷形变-热处理组织性能研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2020 ： 30 - 33 .

ZENG Songwen . Study on microstructure and properties of G20CrNi2MoA heavy-haul railway bearing steel after cold deformation-heat treatment ［D］. Wuhan ： Wuhan University of Technology ， 2020 ： 30 - 33 . （In Chinese）

张建 . 20CrNi 2 MoV轴承钢热轧过程的组织与性能［D］. 沈阳：东北大学， 2017 ： 93 - 103 .

ZHANG Jian . Micr ostructure and properties of 20CrNi 2 MoV bearing steel during hot rolling ［D］. Shenyang ： Northeastern University ， 2017 ： 93 - 103 . （In Chinese）

LIU Y S ， TANG J Y ， LIU H M ， et al . The influence of carbon content gradient and carbide precipitation on the microstructure evolution during carburizing-quenching-tempering of 20MnCr 5 bevel gear ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2024 ， 494 ： 131387 .

DAS D ， DUTTA A K ， RAY K K . Sub-zero treatments of AISI D2 steel：part I：microstructure and hardness ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2010 ， 527 （ 9 ）： 2182 - 2193 .

OHMORI Y ， SUGISAWA S . The precipitation of carbides during tempering of high carbon martensite ［J］. Transactions of the Japan Institute of Metals ， 1971 ， 12 （ 3 ）： 170 - 178 .

LI S H ， YUAN X H ， JIANG W ， et al . Effects of heat treatment influencing factors on microstructure and mechanical properties of a low-carbon martensitic stainless bearing steel ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2014 ， 605 ： 229 - 235 .

GILL S S ， SINGH J ， SINGH R ， et al . Metallurgical principles of cryogenically treated tool steels：a review on the current state of science ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2011 ， 54 （ 1 ）： 59 - 82 .

GHOSH P ， DHOKEY N B . Refinement of tempered martensite structure and its effect on wear mechanism in SAE 8620 ［J］. Tribology-Materials ，Surfaces & Interfaces， 2016 ， 10 （ 4 ）： 178 - 184 .

LI B Z ， LI C S ， WANG Y ， et al . Effect of cryogenic treatment on microstructure and wear resistance of carburized 20CrNi 2 MoV steel ［J］. Metals ， 2018 ， 8 （ 10 ）： 808 .

姚国林，王合闯 . 不同工艺渗碳淬火和深冷处理后20CrNi 2 Mo轴承钢的组织与性能［J］. 机械工程材料， 2024 ， 48 （ 1 ）： 79 - 84 .

YAO Guolin ， WANG Hechuang . Microstructure and properties of 20CrNi 2 Mo bearing steel after different carburization quenching and deep cooling treatments ［J］. Materials for Mechanical Engineering ， 2024 ， 48 （ 1 ）： 79 - 84 . （In Chinese）

ZHOU G H ， WEI W T ， LIU Q L . Effect of hot rolling on microstructural evolution and wear behaviors of G20CrNi 2 MoA bearing steel ［J］. Metals ， 2021 ， 11 （ 6 ）： 957 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

⁰