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车轴镜面加工及表面强化工艺

      车轴是承受机车车辆质量的关键部件,在运行中要承受静载荷、动载荷和制动附加载荷的作用,失效的主要形式是疲劳破坏”.近年来,随着铁路的高速化和重载化,车轴的疲劳破坏日益严重,对行车的安全性能提出了严峻的挑战.疲劳损伤”往往发生在表面或从表面开始,然后逐渐向内部扩展并最终导致整个构件失效,造成了巨大经济损失和安全隐患.因此,可以通过改变表面晶粒的结构、硬度或残余应力来提高表面性能﹐从而减少或延缓车轴的失效,对保证轨道交通的顺畅通行有积极意义。
      目前在实际生产中广泛采用金属表面强化技术来提高车轴钢表面性能,主要有喷丸强化、滚压强化和感应淬火等。这些方法取得了良好的强化效果,但也存在着一些局限性,如设备庞大,效率低,污染大,处理效果还没有达到人们的预期。

        豪克能金属表面镜面加工强化技术作为一种有效的表面强化方法,可以使金属表面产生弹塑性变形﹐晶粒减小,硬度增加,同时改变表面的残余应力状态、提高金属的疲劳寿命和腐蚀性能;并且豪克能设备体积小、质量轻,噪声小污染少,成本低耗能少;豪克能处理具有速度快,强化层较深,可以引入较大的残余压应力,同时不受工件形状限制,还可以与其它设备组成生产线等优特点﹐故可以把豪克能技术应用于车轴钢的表面强化上,提高其综合力学性能。

可以看到车轴钢试样经过豪克能镜面加工处理后,表面发生了明显变化,如下图所示。

 


从图中看到了明显的分界线,可以发现豪克能处理过的部分光泽更好,表面很光滑。 这是因为在高频冲击的作用下,表面产生了剧烈的塑性变形,波峰波谷之间的差距越来越小,使得试样表面粗糙度减小。

金属表面晶粒细化
车轴钢经豪克能镜面加工处理后,表面发生了未微观塑性变形,晶粒明显细化;
 

显微硬度

 

表面硬度提高机理:
车轴钢属于中高层错能金属,塑性变形方式主要通过位错的运动,试样表面首先在高频冲击的重复作用下,产生了大量位错,并通过滑移、累积、交互作用、湮灭和重排等形成了位错墙和位错缠结,这些位错墙和位错缠结将原始晶粒分割成尺寸较小的位错胞;随着应变的增加,位错密度不断增大,为了降低系统的能量,高密度位错会在位错墙和位错缠结附近发生湮灭和重排,使得位错墙和位错缠结发展成亚晶界。 亚晶界的形成降低了位错的密度,使得晶粒尺寸明显减小。 同时,位错在运动时相互交割加剧,一方面增加了位错线的长度,另一方面产生了固定割阶、位错缠结等障碍,这些都会使位错运动阻力增大,引起变形抗力增加,要想使金属进一步塑性变形,就必须增大外力,于是就提高了金属的强度。除此之外,在一定深度范围内,材料的硬度是存在梯度的,即随着距离表面深度的增加,晶粒逐渐变细,表面的硬度逐渐减小。

预置压应力
车轴经过豪克能镜面加工设备强化加工之后,表面应力状况发生改变,有拉应力改变为压应力;有效延缓疲劳裂纹的萌生,延长车轴的服役寿命。
 

(1)车轴钢在经豪克能镜面加工处理后,表面发生了剧烈的塑性变形﹐晶粒明显细化,显微硬度呈梯度化,随着距表面深度的增加,变形量逐渐减小,依次分为剧烈变形层、过渡层和基体,变形区与基体没有明显界限;

(2)随豪克能冲击功率的增加,变形层厚度增大,表面粗糙度减小﹐表面硬度提高,与基体未经超声冲击处理的试样相比,在功率180 W作用下,试样的表面硬度提高了25%,表面粗糙度降低了6.5倍,变形层厚度大约为80 um,试样最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶,晶粒尺寸为40~50 nm;

(3)车轴钢表面硬度的提高是晶粒细化和加工硬化共同作用的结果。