電力機(jī)車主傳動(dòng)齒輪軸油孔孔角超聲沖擊強(qiáng)化處理

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

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，提速、重載、安全和高效化成為機(jī)車車輛發(fā)展的趨勢(shì)，而研究和改進(jìn)機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的抗疲勞性能則是近年的關(guān)注熱點(diǎn)[1]。當(dāng)前機(jī)車主要采用齒輪傳動(dòng)形式，因此機(jī)車牽引電機(jī)小齒輪軸作為機(jī)車動(dòng)力源的第一級(jí)輸出構(gòu)件，其安全性更顯重要。齒輪傳動(dòng)時(shí)要求的高功率、高轉(zhuǎn)速以及盡可能長(zhǎng)的運(yùn)行壽命和強(qiáng)承載能力，使得其在運(yùn)行過程中承受巨大的牽引扭矩和振動(dòng)負(fù)荷。同時(shí)齒輪軸工作條件惡劣，為故障多發(fā)構(gòu)件，特別容易出現(xiàn)接觸疲勞[2-3]、高周疲勞和微動(dòng)疲勞[4]等故障。某型電力機(jī)車動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)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(shí)，多次出現(xiàn)早期疲勞斷裂/開裂失效現(xiàn)象(如圖1所示)，根據(jù)失效分析的結(jié)果[5-7]，齒輪軸大端油孔與油槽交界孔處的應(yīng)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(jìn)措施。為此，筆者提出一種對(duì)齒輪軸應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行孔角超聲沖擊強(qiáng)化和表面拋磨復(fù)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(cè)定強(qiáng)化前后的殘余應(yīng)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(qiáng)韌性，工程中多用于齒輪類零件，其化學(xué)成分和拉伸力學(xué)性能分別如表1、2所示。采用研制的UIT-Ⅲ型超聲沖擊設(shè)備對(duì)齒輪軸進(jìn)行超聲沖擊強(qiáng)化處理，其工藝參數(shù)為：電流0.8～0.9 A，沖擊頻率20 kHz，時(shí)長(zhǎng)60 s。

經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化處理后，首先采用細(xì)砂紙和超聲拋光工具對(duì)齒輪軸孔角處進(jìn)行打磨和拋光，以去除毛刺、降低粗糙度，進(jìn)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(cè)量齒輪軸孔角處的表面粗糙度，對(duì)表面完整性進(jìn)行表征；然后，在齒輪軸孔角處切取試樣進(jìn)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(dòng)顯微硬度計(jì)測(cè)量其顯微硬度，載荷為0.98 N，加載時(shí)長(zhǎng)為15 s；最后，采用X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀，側(cè)傾固定ψ法測(cè)定齒輪軸孔角處的殘余應(yīng)力。

表1 齒輪軸材料17CrNiMo6化學(xué)成分 wt%

表2 齒輪軸材料17CrNiMo6拉伸力學(xué)性能(23 ℃)

2 結(jié)果與分析

2.1 表面完整性

圖2為齒輪軸油孔經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理前后的體視顯微鏡照片?？梢钥闯觯禾幚砬暗凝X輪軸可清晰地看到沿油槽方向(周向)的加工紋理，這是機(jī)加工工藝產(chǎn)生的加工刀痕，由于刀痕根部存在應(yīng)力集中，因此會(huì)消弱齒輪軸的抗疲勞性能；處理后的齒輪軸油孔表面細(xì)膩光亮，超聲強(qiáng)化沖擊壓痕有較明顯的交界線，產(chǎn)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(qiáng)化與表面拋磨復(fù)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(cè)量結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯禾幚砗蟮凝X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(biāo)，超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理工藝去除了機(jī)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(cè)量結(jié)果 μm

結(jié)合圖2和表3可得：齒輪軸油孔經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)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(yīng)力集中程度，即降低了油孔孔角處的應(yīng)力水平。

2.2 組織變化

圖3為不同放大倍數(shù)下齒輪軸表層組織?？梢钥闯觯罕韺咏M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(qiáng)度提高。分析其原因?yàn)椋糊X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(jīng)滲碳淬火、回火后表層幾乎能完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體；而Cr、Mo為碳化物形成元素，致使淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大粗化。

圖3 不同放大倍數(shù)下齒輪軸表層組織

圖4為超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理齒輪軸孔角處斜面附近材料的金相顯微鏡照片?？梢钥闯觯罕惶幚韰^(qū)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(fù)合處理產(chǎn)生了超細(xì)晶和納米晶，并呈現(xiàn)出由窄到寬的塑性流動(dòng)痕跡。分析其原因?yàn)椋涸诔晳?yīng)力波疊加和材料局部大轉(zhuǎn)動(dòng)速率等因素的聯(lián)合作用下[12]，齒輪軸孔角處表層材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，使處理區(qū)域表層產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，形成位錯(cuò)胞或位錯(cuò)墻；隨著變形量的繼續(xù)增大，位錯(cuò)胞數(shù)量增加，晶粒尺寸減小，胞壁的位錯(cuò)密度增大，并不斷向晶界運(yùn)動(dòng)，最終胞壁位錯(cuò)纏結(jié)不斷集聚，形成小角度的織構(gòu)界面，而晶內(nèi)出現(xiàn)大量亞微米量級(jí)的亞晶粒；在剪應(yīng)力作用下，亞晶粒內(nèi)小角度織構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使得生成的大角度亞晶粒不斷破碎和旋轉(zhuǎn)，最終形成具有大角度晶界的超細(xì)晶和納米級(jí)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(xì)化是金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制之一，細(xì)晶強(qiáng)化不僅會(huì)提高材料的強(qiáng)度，而且會(huì)改善材料的韌性。因此，在經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理后，齒輪軸孔角材料的綜合強(qiáng)韌性會(huì)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(cè)試位置圖及其對(duì)應(yīng)的顯微硬度梯度變化曲線，其中測(cè)量點(diǎn)間隔為0.3 mm。

圖5 顯微硬度測(cè)試位置圖

圖6 顯微硬度梯度變化曲線

由圖6可以看出：經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)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(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)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(cuò)纏結(jié)和晶粒細(xì)化而產(chǎn)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(jié)構(gòu)件的抗疲勞性能[17]。

2.4 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的重要因素。殘余應(yīng)力實(shí)際測(cè)試點(diǎn)位置如圖7所示，測(cè)量結(jié)果見表4。

圖7 殘余應(yīng)力實(shí)際測(cè)試點(diǎn)位置

MPa

由表4可以看出：

1) 超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理前，齒輪軸孔角處殘余應(yīng)力小，其平均值為-213.1 MPa，這是由機(jī)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(yīng)力減小。

2) 經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理后，齒輪軸孔角處附近材料殘余應(yīng)力顯著增大，平均殘余應(yīng)力增大了1.47倍，而靠近孔角處的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)(1、2號(hào)點(diǎn))的殘余應(yīng)力增大了1.99倍；

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

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

3 結(jié)論

齒輪軸孔角處經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化與表面拋磨復(fù)合處理后，得到以下結(jié)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(yīng)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(qiáng)化區(qū)產(chǎn)生了明顯的加工硬化，其顯微硬度提高了44.8%，表層產(chǎn)生了厚度約80 μm的超細(xì)晶和納米晶強(qiáng)化層，綜合強(qiáng)韌性得到了提高。

3) 齒輪軸孔角附近的殘余應(yīng)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(yīng)力值分布較均勻。

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