LZ50 車軸鋼表面超聲滾壓改性分析

周卯旸，劉鵬濤，曹鳳角

（1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)研究總院，遼寧大連 116013；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

0 引言

在機(jī)車運(yùn)行途中，作為城軌列車最重要部件之一的機(jī)車車軸，其工作條件相當(dāng)復(fù)雜，所以研究復(fù)雜的工況所引發(fā)的由于旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)載荷帶來的安全性問題至關(guān)重要[1]。在機(jī)車運(yùn)行過程中，只要發(fā)現(xiàn)列車車軸裂紋的萌生現(xiàn)象，就會(huì)使失效不可逆，使車軸轉(zhuǎn)動(dòng)失去平衡性，帶來了很多運(yùn)營和維護(hù)方面的問題，對(duì)人的安全也造成了一定程度的影響。

隨著近些年鐵路客運(yùn)線路的高速化和貨運(yùn)線路的重載化，出現(xiàn)了很多亟需解決的問題。這些問題中，車軸抗疲勞性能的問題尤其突出，如果得不到很好的解決，將嚴(yán)重制約軌道交通行業(yè)的進(jìn)步與革新。作為軌道交通中走行部件非常重要一環(huán)，列車車軸承擔(dān)的載荷主要是扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)彎曲，若使車軸具有良好的使用性能和壽命，對(duì)車軸材料的相關(guān)研究需要不斷深入。

車軸損壞原因分析表明，除磨損和其他損傷外，由疲勞引起的車軸損傷約占所有形式車軸損傷的66%。因此，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，從而改善車軸材料的表層組織和性能有著舉重若輕的作用。表面超聲滾壓技術(shù)具有其他表面強(qiáng)化方式所不具備的特殊優(yōu)勢，如工藝簡單、表面損傷較小、可以獲得更低的表面粗糙度[2]，且獲得的塑性變形更深，組織演變和表面殘余應(yīng)力分布更均勻[3]，這些特點(diǎn)對(duì)于材料的抗疲勞性能有極大的裨益。

表面超聲滾壓技術(shù)是一項(xiàng)新型表面形變強(qiáng)化技術(shù)，近年來得到不斷發(fā)展。表面超聲滾壓技術(shù)是將傳統(tǒng)滾壓技術(shù)與超聲波沖擊結(jié)合起來[4]，其原理如圖1 所示。我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅速，在超聲沖擊、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域已有了較為廣泛的研究[5-6]。陳利欽[7]等人將表面超聲滾壓技術(shù)用于EA4T 車軸鋼上，發(fā)現(xiàn)EA4T車軸鋼的表面粗糙度顯著降低，表層硬度和表面軸向殘余應(yīng)力得到了很大提升，并總結(jié)出了表面產(chǎn)生滾壓的相應(yīng)參數(shù)對(duì)EA4T 車軸鋼表層性質(zhì)改變的規(guī)律。表面超聲滾壓處理前后的航空用2D12 鋁合金進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲滾壓加工后材料的疲勞壽命在同等運(yùn)行條件下較之前提高了7 倍[8]。

圖1 表面超聲滾壓技術(shù)原理

本文對(duì)LZ50 車軸鋼試樣進(jìn)行表面超聲滾壓處理，對(duì)比不同工藝處理前后試樣的表層組織、表面粗糙度、表層硬度分布的變化，探討表面超聲滾壓處理對(duì)LZ50 車軸鋼疲勞性能的影響。對(duì)保證其運(yùn)行安全、延長其服役壽命具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為LZ50 車軸鋼，其原始組織為少量鐵素體加片層狀珠光體，樣品的原始組織如圖2 所示，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

圖2 LZ50 車軸鋼基體金相組織

表1 LZ50 車軸鋼的化學(xué)成分 ωt%

表2 LZ50 車軸鋼的力學(xué)性能

對(duì)LZ50 車軸鋼進(jìn)行不同工藝的表面超聲滾壓處理，所用材料是一根LZ50 車軸鋼試樣，采取7 種超聲滾壓工藝處理，工藝參數(shù)見表3，對(duì)表面超聲滾壓處理前后試樣使用FM-700 型顯微硬度儀測試超聲滾壓處理前后試樣的表層硬度分布。試驗(yàn)所加載荷為25 g，保荷時(shí)間為15 s。采用SURTRONIC 25 型便攜式粗糙度測量儀（英國泰勒公司）測量不同工藝超聲滾壓處理后的表面粗糙度。采用i-XRD 型X 射線測試儀測試經(jīng)過不同工藝超聲滾壓處理后的表面殘余應(yīng)力。使用LEICA DCM3D 三維視頻顯微鏡觀察車軸超聲滾壓處理前后的表面紋理。使用SUPRA 55 型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的截面組織，掃描電鏡觀察的試樣采用硅溶膠機(jī)械化學(xué)聯(lián)合拋光進(jìn)行腐蝕[9]。

表3 超聲滾壓處理工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 表面宏觀形貌及粗糙度

城軌LZ50 車軸經(jīng)表面超聲滾壓處理前后光鏡下表面紋理照片如圖3 所示。可以看出，原始車削加工的表面上有著分布均勻的機(jī)加工紋理，在兩個(gè)最深的紋理之間（約100 μm）還分布著一些較小的機(jī)加工痕跡。觀察經(jīng)過表面超聲滾壓處理后的試樣的表面形貌，對(duì)比觀察前三個(gè)工藝，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量時(shí)，隨著靜壓力的不斷提升，試樣的加工紋理越不清晰，表面剝落越不明顯。對(duì)比工藝3、工藝4 和工藝5 可以看出，當(dāng)其他因素不變時(shí)，改變設(shè)備轉(zhuǎn)速對(duì)表面紋理無明顯影響；對(duì)比工藝3、工藝6 和工藝7 可以看出，當(dāng)其他因素不變時(shí)間，加工表面的塑形變形程度隨著設(shè)備進(jìn)給量的增大而增大。

圖3 原始和不同工藝處理試樣的表面紋理

經(jīng)表面超聲滾壓處理后試樣表面明顯光滑，車削加工紋理數(shù)量顯著減少，高峰與低谷間的高度差減小，平整度加強(qiáng)，明顯體現(xiàn)出超聲滾壓處理技術(shù)的“削峰填谷”效果。從表面宏觀形貌和粗糙度值（表4）不難得出，靜壓力的改變對(duì)粗糙度的影響最大，減小至車削試樣的25%～30% 。這是由于表面超聲滾壓處理中由于超聲滾壓刀具頭每秒20 000～30 000 次的高頻振動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行擠壓沖擊，使材料表面產(chǎn)生大幅度的彈塑性變形。加工后，工件表面產(chǎn)生一定的彈性回復(fù)，從而大大降低了表面粗糙度。

表4 不同工藝超聲滾壓處理后試樣表面粗糙度值Ra μm

2.2 試樣截面組織

SEM 下觀察車削LZ50 車軸鋼試樣表層組織（圖4）。基體組織為共析鐵素體+片狀珠光體，從表面到心部，由細(xì)晶層、塑形變形層和基體組成。

細(xì)晶層是加工時(shí)由于切削力和切削熱與材料的相互作用，會(huì)在試樣表面留下一個(gè)變質(zhì)層[10]，根據(jù)膠態(tài)平衡原理，片狀滲碳體易溶解，形成固溶強(qiáng)化提高試樣表面硬度[11-12]。

在塑形變形層中，鐵素體亞晶粒的尺寸從表面到心部顯著增大。鐵素體內(nèi)部出現(xiàn)亞晶粒，晶粒大小100～500 nm，珠光體中的片層狀滲碳體沿表面出現(xiàn)一定程度的扭轉(zhuǎn)。從掃描照片中可以看到車削加工容易產(chǎn)生毛刺、裂紋，故疲勞性能較差，在毛刺的根部兩側(cè)組織具有相反的塑性流變方向。

LZ50 車軸鋼經(jīng)過表面超聲滾壓處理后掃描電鏡下的表層組織如圖4 所示。7 種工藝表層組織特征基本相同。7 種工藝表層都有約2 μm 厚的劇烈塑性變形區(qū)，塑性變形區(qū)內(nèi)組織較細(xì)小，在掃描電鏡下無法觀察到晶界，塑性變形區(qū)內(nèi)由于片層狀滲碳體斷裂、碎化、溶解，滲碳體的量從心部到表層逐漸減少。由圖可見，表面超聲滾壓處理后試樣發(fā)生了明顯的塑性變形。在塑性變形過程中鐵素體晶粒內(nèi)先形成位錯(cuò)墻，隨著變形程度的進(jìn)一步增加，位錯(cuò)密度增加到一定程度，鐵素體晶粒的位錯(cuò)增加和消失達(dá)到平衡態(tài)[13]，劉宏基[14]的相關(guān)研究表明：晶粒細(xì)化能有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而延長接觸疲勞壽命。

圖4 超聲滾壓處理前后表層組織

2.3 表面殘余應(yīng)力分析

測得不同工藝下的殘余應(yīng)力如表5、圖5 所示。車削試樣的軸向殘余應(yīng)力為-238 MPa，周向殘余應(yīng)力為110 MPa，此時(shí)車削試樣的周向殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力。經(jīng)過不同工藝的表面超聲滾壓處理時(shí)，由于工具頭在材料表面的高頻振動(dòng)，材料表層發(fā)生嚴(yán)重的塑形變形及表面晶粒細(xì)化，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，故經(jīng)過表面超聲滾壓處理后，表面軸向殘余壓應(yīng)力顯著提升至原來的3 倍，而表面周向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

圖5 不同工藝試樣表面殘余應(yīng)力

表5 不同工藝車軸表面殘余應(yīng)力

根據(jù)前三個(gè)工藝比較可得，其他因素不變，提升靜壓力，試樣表面軸向和周向殘余應(yīng)力均先增大后減小。而根據(jù)工藝3、工藝4 和工藝5 三種工藝不難看出，當(dāng)其他因素不變，設(shè)備的進(jìn)給量越大，兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力均在不斷減小。相關(guān)研究表明[15]，表面殘余壓應(yīng)力的增加可以有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，表面超聲滾壓處理可以提升車軸鋼疲勞性能。

2.4 表層硬度分析

車削試樣的表面硬度為200～220 HV，而后對(duì)不同超聲滾壓工藝處理后的試樣進(jìn)行表層硬度測試，超聲滾壓處理后的樣品產(chǎn)生硬化層。如圖6 所示，經(jīng)過不同超聲滾壓工藝處理后的試樣具有相似的截面硬度變化規(guī)律，都是最表層硬度最高，隨著距離表層距離的進(jìn)一步增加，硬度逐漸趨于基體硬度。

圖6 不同工藝試樣截面硬度分布

如圖6a）所示，固定進(jìn)給量與轉(zhuǎn)速，改變靜壓力，隨著靜壓力的不斷增大，試樣的表面硬度不斷提升；如圖6b）所示，固定進(jìn)給量與靜壓力，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，最表層硬度逐漸減小，硬化層深度變淺；如圖6c）所示，固定轉(zhuǎn)速與靜壓力，改變進(jìn)給量，隨著進(jìn)給量的減小，最表層的硬度隨之增加。經(jīng)過不同工藝的超聲滾壓處理后，綜合分析最優(yōu)的工藝為工藝3，工藝3 表面硬度最大為290 HV，硬化層深度為300 μm。

根據(jù)以上分析得出，進(jìn)給量越大，轉(zhuǎn)速越大，表面硬度越低，硬化層越淺，而靜壓力越大，表面硬度越高，硬化層深度越深。顯微硬度和強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，硬度越高，材料屈服強(qiáng)度越高[16-17]。表面超聲滾壓處理使得試樣硬度提高的可能原因：由于經(jīng)表面超聲滾壓強(qiáng)化后，材料表層的組織發(fā)生塑性變形和晶粒細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致晶界面積增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，使晶粒間位錯(cuò)密度增加，金屬表面產(chǎn)生的加工硬化層使得表面超聲滾壓處理后硬度提高。

3 結(jié)論

（1）表面超聲滾壓處理后，試樣表面更平整，突顯削峰填谷的效果。表面粗糙度減小至車削試樣的25%～30%，其中靜壓力對(duì)粗糙度的影響最大。

（2）表面超聲滾壓處理后，試樣表面平均硬度由200～220 HV提高到270～290 HV，硬度值提高了35%，硬化層深度為270～300 μm，其中靜壓力對(duì)表面硬度的提升影響最大。

（3）經(jīng)過不同工藝的表面超聲滾壓處理后，軸向表面殘余壓應(yīng)力最大提升3 倍，周向表面應(yīng)力由殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

（4）表面超聲滾壓處理后，試樣表層顯微組織發(fā)生明顯塑性變形，形成約2 μm 的劇烈塑性變形層，變形層內(nèi)部滲碳體顆粒碎化溶解，鐵素體內(nèi)部出現(xiàn)亞晶粒，使得表層硬度提升。