超聲沖擊對20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼性能的影響

殷　暢， 張　平， 趙軍軍

(裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

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超聲沖擊對20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼性能的影響

殷暢， 張平， 趙軍軍

(裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

為了研究超聲波沖擊對20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼性能的影響，采用ZJ-II型超聲波沖擊設備對20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼進行了超聲沖擊處理，利用X射線衍射儀(X-Ray Diffractometer,XRD)、X射線應力測試儀、多功能表面性能測量儀和表面粗糙度儀分別測量了試樣處理前后晶粒尺寸、殘余應力、殘余奧氏體含量、顯微硬度和表面粗糙度，并對其性能進行了對比分析。結果表明：經超聲沖擊后的20Cr2Ni4A鋼試樣的晶粒尺寸得到細化，殘余應力、表面顯微硬度顯著提高，表面殘余奧氏體含量、粗糙度明顯下降，說明超聲沖擊對20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼的力學性能和顯微組織有明顯改善，為超聲沖擊技術運用于工業生產提供了實驗依據。

超聲波沖擊技術； 20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼； 殘余應力

20Cr2Ni4A鋼是一種優質合金滲碳鋼，主要用于制造重載車輛齒輪零部件，工業上要求其具有高的表面硬度和良好的接觸疲勞強度，因此常需要對其進行滲碳處理。在滲碳過程中，齒輪工件表面難免會產生種種缺陷，如滲層組織在熱處理時會出現晶粒長大現象、表面存在大量未轉化的殘余奧氏體等，進而影響工件的疲勞壽命和服役的可靠性。

為了克服滲碳工藝帶來的不利影響，提高滲碳鋼的力學性能及接觸疲勞壽命，通常運用噴丸強化來改善滲碳鋼材的性能[1-2]，但其所產生的殘余壓應力層深度較小(一般在0.2～0.3 mm)，不易加工實現，而且易使工件表面的粗糙度增加。超聲沖擊技術[3-4]的基本原理為：將超聲波的能量輸入到金屬材料表面，在高的超聲波能量作用區域內金屬表面溫度急劇升高又迅速冷卻，從而在金屬表面產生大的壓塑性變形和晶粒細化，使表面組織發生變化，進而改善金屬表面的力學性能和延長疲勞壽命。超聲沖擊技術具有操作簡單、耗能少、效率高和適應面廣等優點，可有效克服噴丸工藝的缺點，近年來已用于材料表面改性處理[5-6]，但采用超聲沖擊技術提高滲碳齒輪鋼性能的研究國內少見報道。基于此，筆者采用該技術強化20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼的表面組織，以期進一步提高鋼材表面的力學性能，改善鋼材的表面顯微組織。

1　材料制備與表征

1.1實驗材料與制備

20Cr2Ni4A鋼的化學成分為：ω(C)=0.20%，ω(Si)=0.25%，ω(Mn)=0.52%，ω(Cr)=1.50%，ω(Ni)=3.52%，ω(P)≤0.02%，ω(S)≤0.005%。將其加工成尺寸為40 mm×30 mm×10 mm的試樣，930 ℃滲碳后經650 ℃高溫回火，然后進行810 ℃淬火及170 ℃低溫回火，保證滲碳層深度在1.5～1.8 mm之間，表面硬度≥57 HRC。超聲沖擊處理采用ZJ-II型超聲波沖擊設備，工作電流為0.8～1.0 A，沖擊工具頭的振幅為30～40 μm，超聲振動頻率為20 kHz。將試樣分成2組，一組為超聲沖擊處理試樣，另一組為未進行超聲沖擊處理的試樣。

1.2表征手段

利用電解拋光法對試樣進行單面剝層，采用D8 Advance型X射線衍射儀(X-Ray Diffractometer,XRD)測量衍射峰的半高寬，衍射晶面為(211)，Cu靶，入射波長為0.154 157 nm，電壓為40 kV，電流為20 mA，掃描步長為0.02°。采用X-350 A型X射線應力測試儀測量滲碳層中殘余奧氏體的含量和殘余應力的大小，衍射晶面為(220)，X射線管功率為300 W，掃描方式為θ～θ掃描，2θ最小步距為0.01°。采用線切割的方法得到超聲沖擊后的截面，使用MICROMRET-6030型多功能表面性能測量儀測量顯微硬度，施加載荷為0.98 N，加載時間為15 s。測量時，對超聲沖擊前后2個試樣從滲碳層表面到心部，間隔一定距離測量，同一深度上測3～5個點取平均值。采用TR200表面粗糙度儀測量表面粗糙度，測量5次取平均值。

2　結果與討論

2.1晶粒尺寸分布

X射線衍射峰半高寬可表示晶粒尺寸的大小，衍射峰半高寬越大，晶粒尺寸越小[7]。圖1為超聲沖擊后衍射峰半高寬沿層深分布，可以看出：1)試樣表面的衍射峰半高寬達到最大值，說明表面發生大的塑性變形，晶粒碎化嚴重，晶粒尺寸急劇減小，位錯密度極高；2)隨著層深的增加，超聲沖擊的能量減小，晶粒細化的效應減弱，半高寬下降趨勢趨于平緩，在約150 μm處趨于穩定，可大致得出超聲沖擊作用區域在此范圍內。

圖1　超聲沖擊后衍射峰半高寬沿層深分布

2.2殘余應力分布

圖2為超聲沖擊前后試樣殘余應力沿層深分布，可以看出：1)試樣經超聲沖擊后產生了較大的殘余壓應力場，并隨層深的增加先增大后減小；2)沖擊表面的殘余應力達到907 MPa，比超聲沖擊前的試樣提高了504 MPa；3)超聲沖擊后最大殘余壓應力為1 256 MPa，出現在距離表層30 μm處，比超聲沖擊前有較大提升。其原因為：超聲沖擊使一定層深的滲碳層發生了滑移、位錯等塑性變形，產生了晶粒細化和晶格畸變，從而使殘余應力提高。

圖2　超聲沖擊前后試樣殘余應力沿層深分布

2.3殘余奧氏體含量分布

超聲強化沖擊后的試樣表面發生強烈的塑性變形，面心立方的殘余奧氏體發生相變后轉化為體心立方的馬氏體，從而使殘余奧氏體的含量降低[8-9]。圖3為超聲沖擊前后試樣殘余奧氏體含量沿層深分布，可以看出：殘余奧氏體的含量隨層深的減小而急劇減少，說明越靠近表面，殘余奧氏體轉變為馬氏體的量越多；經超聲沖擊后試樣表面殘余奧氏體的含量由11%降低到0.5%，相變強化效果明顯。

圖3　超聲沖擊前后試樣殘余奧氏體含量沿層深分布

2.4顯微硬度分布

超聲沖擊處理后，滲碳試樣表面發生大的塑性變形，產生冷作硬化層，使得表面及其以下一定深度處顯微硬度急劇增大，出現加工硬化。圖4為超聲沖擊前后試樣顯微硬度沿層深分布，可以看出：超聲沖擊前后表面顯微硬度由724 HV增大到992 HV，這說明表面經過超聲沖擊后硬度得到了顯著改善；超聲沖擊后，試樣的顯微硬度在層深150 μm處下降平緩，說明超聲強化后的深度在150 μm左右。這是因為：在超聲沖擊的過程中，沖頭撞擊滲碳層表面，使得滲碳層中的殘余奧氏體發生馬氏體相變，因此表面硬度得到提高；但隨著層深的增加，沖擊的能量被滲碳層材料吸收，離表面越遠，能量越小；當層深達到一定深度后，超聲沖擊的能量不足以提供殘奧氏體向馬氏體轉變的能量，相變將不能啟動，從而使硬度值趨于平緩。

圖4　超聲沖擊前后試樣顯微硬度沿層深分布

2.5表面粗糙度變化

滲碳試樣經過超聲沖擊后，表面粗糙度由1.164 μm下降為0.708 μm。 超聲沖擊后，滲碳試樣的表面加工過程中遺留下來的雜質被沖頭去掉，使得表面宏觀上變得光滑，降低了粗糙度分散性，提高了表面穩定性。

3　結論

20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼經過超聲沖擊后，滲碳層中材料發生塑性變形、晶粒細化和位錯增多，產生了加工硬化效應；強化層中殘余奧氏體發生馬氏體相變后轉變成硬度更高的馬氏體，從而顯著改善了滲碳層的力學性能；滲層中的殘余應力與未進行超聲沖擊前相比有較大的提升，表面殘余奧氏體的含量由11%降低到0.5%，顯微硬度由724 HV提高到992 HV，表明超聲沖擊后滲碳鋼的晶粒尺寸和力學性能都有較大的改變。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Effect of Ultrasonic Wave Impact on Properties of 20Cr2Ni4A Carburized Gear Steel

YIN Chang, ZHANG Ping, ZHAO Jun-jun

(National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072, China)

To study the ultrasonic wave impact on mechanical properties and microstructure of 20Cr2Ni4A carburized gear steel, the ultrasonic impact treatment is done with ZJ-II type ultrasonic equipment. The sample grain size, residual stress, residual austenite content, micro-hardness and surface roughness are measured and compared using X-Ray Diffractometer (XRD), X-ray stress tester, multi-functional surface properties gauge and the surface roughness measuring instrument before and after treatment. The results show that the grain size refinement, the residual stress and the surface micro-hardness increase significantly, while the residual austenite content and the surface roughness value decrease obviously, proving that the ultrasonic impact improves the mechanical properties and the microstructure of 20Cr2Ni4A carburized gear steel significantly, which provides experimental basis for the application of ultrasonic impact technology to industrial production.

ultrasonic wave impact technology; 20Cr2Ni4A carburized gear steel; residual stress

1672-1497(2016)04-0088-03

2016-03-20

殷暢(1991-)，男，碩士研究生。

TG146.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.017