LZ50 車軸鋼表面超聲滾壓改性分析

周卯旸，劉鵬濤，曹鳳角

（1.大連華銳重工集團股份有限公司設計研究總院，遼寧大連 116013；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116028）

0 引言

在機車運行途中，作為城軌列車最重要部件之一的機車車軸，其工作條件相當復雜，所以研究復雜的工況所引發的由于旋轉彎曲扭轉載荷帶來的安全性問題至關重要[1]。在機車運行過程中，只要發現列車車軸裂紋的萌生現象，就會使失效不可逆，使車軸轉動失去平衡性，帶來了很多運營和維護方面的問題，對人的安全也造成了一定程度的影響。

隨著近些年鐵路客運線路的高速化和貨運線路的重載化，出現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，將嚴重制約軌道交通行業的進步與革新。作為軌道交通中走行部件非常重要一環，列車車軸承擔的載荷主要是扭轉和旋轉彎曲，若使車軸具有良好的使用性能和壽命，對車軸材料的相關研究需要不斷深入。

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，在傳統工藝的基礎上進行改進，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。表面超聲滾壓技術具有其他表面強化方式所不具備的特殊優勢，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力分布更均勻[3]，這些特點對于材料的抗疲勞性能有極大的裨益。

表面超聲滾壓技術是一項新型表面形變強化技術，近年來得到不斷發展。表面超聲滾壓技術是將傳統滾壓技術與超聲波沖擊結合起來[4]，其原理如圖1 所示。我國的超聲加工技術發展迅速，在超聲沖擊、超聲復合加工領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用于EA4T 車軸鋼上，發現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力得到了很大提升，并總結出了表面產生滾壓的相應參數對EA4T 車軸鋼表層性質改變的規律。表面超聲滾壓處理前后的航空用2D12 鋁合金進行疲勞性能試驗，結果表明超聲滾壓加工后材料的疲勞壽命在同等運行條件下較之前提高了7 倍[8]。

圖1 表面超聲滾壓技術原理

本文對LZ50 車軸鋼試樣進行表面超聲滾壓處理，對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LZ50 車軸鋼疲勞性能的影響。對保證其運行安全、延長其服役壽命具有重要的經濟和社會價值。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為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，化學成分見表1，力學性能見表2。

圖2 LZ50 車軸鋼基體金相組織

表1 LZ50 車軸鋼的化學成分 ωt%

表2 LZ50 車軸鋼的力學性能

對LZ50 車軸鋼進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，工藝參數見表3，對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。試驗所加載荷為25 g，保荷時間為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 射線測試儀測試經過不同工藝超聲滾壓處理后的表面殘余應力。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械化學聯合拋光進行腐蝕[9]。

表3 超聲滾壓處理工藝參數

2 試驗結果及討論

2.1 表面宏觀形貌及粗糙度

城軌LZ50 車軸經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加工紋理，在兩個最深的紋理之間（約100 μm）還分布著一些較小的機加工痕跡。觀察經過表面超聲滾壓處理后的試樣的表面形貌，對比觀察前三個工藝，可以發現，當固定轉速與進給量時，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。對比工藝3、工藝4 和工藝5 可以看出，當其他因素不變時，改變設備轉速對表面紋理無明顯影響；對比工藝3、工藝6 和工藝7 可以看出，當其他因素不變時間，加工表面的塑形變形程度隨著設備進給量的增大而增大。

圖3 原始和不同工藝處理試樣的表面紋理

經表面超聲滾壓處理后試樣表面明顯光滑，車削加工紋理數量顯著減少，高峰與低谷間的高度差減小，平整度加強，明顯體現出超聲滾壓處理技術的“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 次的高頻振動對試樣進行擠壓沖擊，使材料表面產生大幅度的彈塑性變形。加工后，工件表面產生一定的彈性回復，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，由細晶層、塑形變形層和基體組成。

細晶層是加工時由于切削力和切削熱與材料的相互作用，會在試樣表面留下一個變質層[10]，根據膠態平衡原理，片狀滲碳體易溶解，形成固溶強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。鐵素體內部出現亞晶粒，晶粒大小100～500 nm，珠光體中的片層狀滲碳體沿表面出現一定程度的扭轉。從掃描照片中可以看到車削加工容易產生毛刺、裂紋，故疲勞性能較差，在毛刺的根部兩側組織具有相反的塑性流變方向。

LZ50 車軸鋼經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，塑性變形區內組織較細小，在掃描電鏡下無法觀察到晶界，塑性變形區內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生了明顯的塑性變形。在塑性變形過程中鐵素體晶粒內先形成位錯墻，隨著變形程度的進一步增加，位錯密度增加到一定程度，鐵素體晶粒的位錯增加和消失達到平衡態[13]，劉宏基[14]的相關研究表明：晶粒細化能有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，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 表面殘余應力分析

測得不同工藝下的殘余應力如表5、圖5 所示。車削試樣的軸向殘余應力為-238 MPa，周向殘余應力為110 MPa，此時車削試樣的周向殘余應力為殘余拉應力。經過不同工藝的表面超聲滾壓處理時，由于工具頭在材料表面的高頻振動，材料表層發生嚴重的塑形變形及表面晶粒細化，產生較大的殘余壓應力，故經過表面超聲滾壓處理后，表面軸向殘余壓應力顯著提升至原來的3 倍，而表面周向殘余拉應力轉變為殘余壓應力。

圖5 不同工藝試樣表面殘余應力

表5 不同工藝車軸表面殘余應力

根據前三個工藝比較可得，其他因素不變，提升靜壓力，試樣表面軸向和周向殘余應力均先增大后減小。而根據工藝3、工藝4 和工藝5 三種工藝不難看出，當其他因素不變，設備的進給量越大，兩個方向的殘余應力均在不斷減小。相關研究表明[15]，表面殘余壓應力的增加可以有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，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，而后對不同超聲滾壓工藝處理后的試樣進行表層硬度測試，超聲滾壓處理后的樣品產生硬化層。如圖6 所示，經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律，都是最表層硬度最高，隨著距離表層距離的進一步增加，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，固定進給量與轉速，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，固定進給量與靜壓力，隨著轉速的不斷增大，最表層硬度逐漸減小，硬化層深度變淺；如圖6c）所示，固定轉速與靜壓力，改變進給量，隨著進給量的減小，最表層的硬度隨之增加。經過不同工藝的超聲滾壓處理后，綜合分析最優的工藝為工藝3，工藝3 表面硬度最大為290 HV，硬化層深度為300 μm。

根據以上分析得出，進給量越大，轉速越大，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。顯微硬度和強度有一定的對應關系，硬度越高，材料屈服強度越高[16-17]。表面超聲滾壓處理使得試樣硬度提高的可能原因：由于經表面超聲滾壓強化后，材料表層的組織發生塑性變形和晶粒細化，進而導致晶界面積增多，位錯運動阻力增大，使晶粒間位錯密度增加，金屬表面產生的加工硬化層使得表面超聲滾壓處理后硬度提高。

3 結論

（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，其中靜壓力對表面硬度的提升影響最大。

（3）經過不同工藝的表面超聲滾壓處理后，軸向表面殘余壓應力最大提升3 倍，周向表面應力由殘余拉應力變為殘余壓應力。

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