電力機車主傳動齒輪軸油孔孔角超聲沖擊強化處理

(1. 陸軍裝甲兵學院裝備保障與再制造系， 北京 100072； 2. 63870部隊, 陜西 華陰 714200)

隨著鐵路技術的不斷發展，提速、重載、安全和高效化成為機車車輛發展的趨勢，而研究和改進機車傳動系統齒輪的抗疲勞性能則是近年的關注熱點[1]。當前機車主要采用齒輪傳動形式，因此機車牽引電機小齒輪軸作為機車動力源的第一級輸出構件，其安全性更顯重要。齒輪傳動時要求的高功率、高轉速以及盡可能長的運行壽命和強承載能力，使得其在運行過程中承受巨大的牽引扭矩和振動負荷。同時齒輪軸工作條件惡劣，為故障多發構件，特別容易出現接觸疲勞[2-3]、高周疲勞和微動疲勞[4]等故障。某型電力機車動力輸出轉軸組件(錐面過盈配合件)中的小齒輪軸在服役壽命40～50萬km時，多次出現早期疲勞斷裂/開裂失效現象(如圖1所示)，根據失效分析的結果[5-7]，齒輪軸大端油孔與油槽交界孔處的應力集中是造成該齒輪軸疲勞破壞的主要原因，然而目前尚無有效的改進措施。為此，筆者提出一種對齒輪軸應力集中區進行孔角超聲沖擊強化和表面拋磨復合處理的工藝[8-10]，研究超聲沖擊處理前后齒輪軸的表面完整性及組織和顯微硬度變化，并測定強化前后的殘余應力。

圖1 齒輪軸大端油孔與油槽交界孔處開裂

1 材料及方法

齒輪軸材料為17CrNiMo6，該材料具有良好的強韌性，工程中多用于齒輪類零件，其化學成分和拉伸力學性能分別如表1、2所示。采用研制的UIT-Ⅲ型超聲沖擊設備對齒輪軸進行超聲沖擊強化處理，其工藝參數為：電流0.8～0.9 A，沖擊頻率20 kHz，時長60 s。

經超聲沖擊強化處理后，首先采用細砂紙和超聲拋光工具對齒輪軸孔角處進行打磨和拋光，以去除毛刺、降低粗糙度，進而改善表面完整性；其次，采用體視顯微鏡觀察齒輪軸油孔，并采用Olympus Lext 3D Measuring Lasure Microscope三維形貌儀測量齒輪軸孔角處的表面粗糙度，對表面完整性進行表征；然后，在齒輪軸孔角處切取試樣進行鑲樣、磨樣、拋光和4%硝酸酒精腐蝕，利用Olympus金相顯微鏡觀察其金相變化，并采用Micromet-6030自動顯微硬度計測量其顯微硬度，載荷為0.98 N，加載時長為15 s；最后，采用X-350A型X射線應力測定儀，側傾固定ψ法測定齒輪軸孔角處的殘余應力。

表1 齒輪軸材料17CrNiMo6化學成分 wt%

表2 齒輪軸材料17CrNiMo6拉伸力學性能(23 ℃)

2 結果與分析

2.1 表面完整性

圖2為齒輪軸油孔經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理前后的體視顯微鏡照片。可以看出：處理前的齒輪軸可清晰地看到沿油槽方向(周向)的加工紋理，這是機加工工藝產生的加工刀痕，由于刀痕根部存在應力集中，因此會消弱齒輪軸的抗疲勞性能；處理后的齒輪軸油孔表面細膩光亮，超聲強化沖擊壓痕有較明顯的交界線，產生了較大的塑性變形且變形較均勻，形成了約2.5～3 mm的倒角。

超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理前后齒輪軸

圖2 齒輪軸油孔體視顯微鏡照片

孔角處的表面粗糙度Ra的測量結果如表3所示。可以看出：處理后的齒輪軸孔角處的表面粗糙度降低了約52.7%。表面粗糙度是表征表面完整性的重要指標，超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理工藝去除了機加工紋理、降低了表面粗糙度、提高了齒輪軸的表面完整性，這有益于提高其抗疲勞性能[11]。

表3 齒輪軸孔角處表面粗糙度Ra測量結果 μm

結合圖2和表3可得：齒輪軸油孔經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后，在孔邊引入了倒角，降低了表面粗糙度，且有效減輕了應力集中程度，即降低了油孔孔角處的應力水平。

2.2 組織變化

圖3為不同放大倍數下齒輪軸表層組織。可以看出：表層組織為針狀馬氏體和一定量的合金碳化物組織，這使得表層的硬度、耐磨性和接觸疲勞強度提高。分析其原因為：齒輪軸材料中Cr、Ni、Mo元素的存在大大提高了其淬透性，因此經滲碳淬火、回火后表層幾乎能完全轉變為低碳馬氏體；而Cr、Mo為碳化物形成元素，致使淬火加熱時奧氏體晶粒不易長大粗化。

圖3 不同放大倍數下齒輪軸表層組織

圖4為超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理齒輪軸孔角處斜面附近材料的金相顯微鏡照片。可以看出：被處理區表層存在已難以分辨組織的白亮層，其厚度約為80 μm，這表明該層材料因復合處理產生了超細晶和納米晶，并呈現出由窄到寬的塑性流動痕跡。分析其原因為：在超聲應力波疊加和材料局部大轉動速率等因素的聯合作用下[12]，齒輪軸孔角處表層材料產生劇烈的塑性變形，使處理區域表層產生高密度位錯，形成位錯胞或位錯墻；隨著變形量的繼續增大，位錯胞數量增加，晶粒尺寸減小，胞壁的位錯密度增大，并不斷向晶界運動，最終胞壁位錯纏結不斷集聚，形成小角度的織構界面，而晶內出現大量亞微米量級的亞晶粒；在剪應力作用下，亞晶粒內小角度織構發生旋轉，使得生成的大角度亞晶粒不斷破碎和旋轉，最終形成具有大角度晶界的超細晶和納米級晶[13]。

圖4 齒輪軸孔角處斜面附近材料金相顯微鏡照片

晶粒細化是金屬材料的強化機制之一，細晶強化不僅會提高材料的強度，而且會改善材料的韌性。因此，在經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后，齒輪軸孔角材料的綜合強韌性會有較大的提高，這有益于提高齒輪軸油孔處的抗疲勞性能[14-16]。

2.3 顯微硬度

圖5、6為顯微硬度測試位置圖及其對應的顯微硬度梯度變化曲線，其中測量點間隔為0.3 mm。

圖5 顯微硬度測試位置圖

圖6 顯微硬度梯度變化曲線

由圖6可以看出：經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后的顯微硬度增大，其中齒輪軸孔角處最大，約為588 HV，較處理前齒輪軸的平均值406 HV提高了44.8%；隨著距表面距離的增大，經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后齒輪軸的顯微硬度逐漸減小，這表明齒輪軸孔角處材料因塑性變形過程中的增值、位錯纏結和晶粒細化而產生了明顯的加工硬化，從而材料的顯微硬度得以提高。齒輪軸材料表層顯微硬度的提高，在一定程度上有利于提高結構件的抗疲勞性能[17]。

2.4 殘余應力

殘余應力是影響結構疲勞壽命的重要因素。殘余應力實際測試點位置如圖7所示，測量結果見表4。

圖7 殘余應力實際測試點位置

MPa

由表4可以看出：

1) 超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理前，齒輪軸孔角處殘余應力小，其平均值為-213.1 MPa，這是由機械加工造成的。熱處理并滲碳后去除了一定厚度的滲碳層(淬硬層)，從而使位于孔角處的殘余應力減小。

2) 經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后，齒輪軸孔角處附近材料殘余應力顯著增大，平均殘余應力增大了1.47倍，而靠近孔角處的疲勞危險點(1、2號點)的殘余應力增大了1.99倍；

3) 齒輪軸孔角處兩端(1、2號點)的殘余應力值相差較小，這表明殘余應力分布較均勻。

殘余壓應力可降低外加交變載荷中的拉應力水平，從而提高疲勞裂紋萌生的臨界應力水平。同時，殘余應力的提高有利于減小裂紋擴展速率，從而達到抑制裂紋擴展、延長齒輪軸疲勞壽命的目的[18-19]。

3 結論

齒輪軸孔角處經超聲沖擊強化與表面拋磨復合處理后，得到以下結果：

1) 齒輪軸孔角處形成了約2.5～3 mm的倒角，表面粗糙度由原始的2.16 μm降為1.02 μm，這使得孔角的應力集中程度得以降低，并使齒輪軸油孔的表面完整性得到改善；

2) 齒輪軸孔角處表層強化區產生了明顯的加工硬化，其顯微硬度提高了44.8%，表層產生了厚度約80 μm的超細晶和納米晶強化層，綜合強韌性得到了提高。

3) 齒輪軸孔角附近的殘余應力的平均值由-213.1 MPa提高到-526.8 MPa，且油孔孔角兩端殘余應力值分布較均勻。

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