超聲滾壓載荷對25CrMo4 車軸鋼表面強化特征的影響規(guī)律

王朝陽 黃俏梅 秦榮斌 丁志敏

（①大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；②株洲中車天力鍛業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

車軸是軌道交通車輛最重要的零部件之一，其質(zhì)量直接關(guān)系到軌道交通運行的安全性。文獻[1]報道，在車軸斷裂事故中，90%以上的失效形式為疲勞破壞。由于車軸發(fā)生疲勞破壞時，疲勞裂紋往往會先從車軸表面萌生并向車軸內(nèi)部擴展而導(dǎo)致斷裂，因而采用能夠提高車軸疲勞性能的表面強化技術(shù)對保證列車的安全運行、延長其使用壽命具有重要意義[2]。超聲滾壓技術(shù)是一種將傳統(tǒng)滾壓技術(shù)與超聲沖擊技術(shù)相結(jié)合的一種表面強化技術(shù)，通過對零部件表面進行微幅高速撞擊和滾壓處理達到提高零部件疲勞壽命的目的。與噴丸、滾壓等傳統(tǒng)強化技術(shù)相比，超聲滾壓技術(shù)操作簡單、加工效率高，在改善零部件的表面質(zhì)量和提高零部件的疲勞性能方面具有明顯的優(yōu)勢[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對超聲滾壓技術(shù)的研究有了較大進展。丁志敏等人[4-5]率先提出將超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用到軌道交通車輛車軸上，利用超聲滾壓技術(shù)可以使LZ50 車軸鋼的表面粗糙度降低約92%，表面硬度提高約45%，表面產(chǎn)生約120 μm 深的硬化層以及殘余壓應(yīng)力提高3.5～4.5 倍，從而有利于提高車軸鋼的疲勞性能和使用壽命。同樣地，任學(xué)沖等人[6]利用超聲滾壓強化技術(shù)使25CrMo4 車軸鋼的表面粗糙度下降了77.2%，表面硬度提升了42%，軸向和周向殘余應(yīng)力均由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并使超聲滾壓試樣的疲勞性能與未處理試樣相比提高了14%。

而改善車軸鋼表面狀態(tài)的程度與超聲滾壓工藝參數(shù)有關(guān)。陳利欽[7]、Wang X D 等人[8]研究了不同靜載荷超聲滾壓處理后25CrMo4 車軸鋼的表面強化特征，結(jié)果表明超聲滾壓處理能夠降低車軸鋼的表面粗糙度、提高表層硬度并使其表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，但過高的靜載荷會使其表面粗糙度有所增加[9]，而表面粗糙度的增加會對車軸的疲勞壽命產(chǎn)生不利的影響，其超聲滾壓試樣的疲勞極限僅比滾壓試樣高約4%，幾乎沒有體現(xiàn)出超聲滾壓技術(shù)的優(yōu)勢。由此可見，超聲滾壓技術(shù)雖然能夠提高車軸的疲勞性能，但若超聲滾壓的工藝參數(shù)，尤其是施加載荷不合理的話，將有可能使超聲滾壓強化對車軸疲勞性能的提升效果較小，甚至變差，并且對于具有不同性能的材料，能夠通過超聲滾壓強化提高零部件疲勞性能的最大施加載荷也可能會有所不同。因此，針對目前國內(nèi)軌道交通車輛應(yīng)用較為廣泛的25CrMo4 車軸鋼，有必要研究低載荷和較為合理的高載荷超聲滾壓處理后其表面強化特征的變化規(guī)律，以期為后續(xù)低載荷和高載荷超聲滾壓處理后25CrMo4 車軸鋼的疲勞性能測試做好參數(shù)制定的前期準(zhǔn)備工作。

1 實驗材料及其方法

1.1 實驗材料

本實驗所用的材料為25CrMo4 車軸鋼，其化學(xué)成分如表1 所示。實驗所用?20 mm 圓棒試樣取樣于經(jīng)調(diào)質(zhì)處理?180 mm 車軸毛坯的外表層。試樣的金相組織為片狀的回火索氏體+鐵素體，如圖1 所示。根據(jù)目前軌道交通車軸制造企業(yè)為保證車軸具有高的疲勞性能所采用最后一道工序為磨削和滾壓強化處理的現(xiàn)狀，本文研究了?20 mm 圓棒樣分別經(jīng)磨削、滾壓強化和高、低載荷超聲滾壓強化后的表面強化特征，以期為探討高、低載荷超聲滾壓處理能夠進一步提高車軸疲勞性能可能性做好前期的準(zhǔn)備工作。

圖1 25CrMo4 車軸鋼調(diào)質(zhì)處理后的金相組織

表1 25CrMo4 車軸鋼的化學(xué)成分（%）

1.2 實驗方法

分別對試樣進行了滾壓強化和兩種不同載荷的超聲滾壓強化，滾壓強化的工藝參數(shù)參照企業(yè)的生產(chǎn)工藝參數(shù)進行，低載荷超聲滾壓強化采用與滾壓強化相同的載荷參數(shù)，而高載荷超聲滾壓強化參數(shù)是通過預(yù)實驗確定其表面粗糙度剛開始增加時的載荷。

使用OLS-3100 OLYMPUS 激光掃描共聚焦顯微鏡對試樣的表面形貌進行了觀察，并基于形貌圖測量3 組線粗糙度，取其平均值為表面粗糙度。實驗所用儀器參數(shù)為Level:1，Z factor:5.0，X:18，Y:59，Z:4。

使用PROTO iXRD 型殘余應(yīng)力測試儀對經(jīng)過不同方式處理的試樣表面進行了殘余應(yīng)力測試。實驗條件為：輻射類型為Cr-kα 輻射，采用固定Ψ 法，波長2.291 nm，Bragg 角156.31°，管電壓20 kV，管電流4 mA，衍射平面（221），應(yīng)力常數(shù)5.919 7×10-6MPa-1。

在Leica DMi8 A 型光學(xué)顯微鏡上觀察了試樣橫截面表層的剖面金相組織。

使用HVD-1000IS 型圖像分析數(shù)顯顯微硬度計對試樣的表面硬度及硬化層梯度進行測量，每個試樣測量3 次，結(jié)果為其平均值。實驗條件為：壓頭載荷100 g，保荷時間15 s。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 表面形貌及粗糙度

圖2 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣表面的二維形貌和三維形貌。為了對比，將磨削試樣的表面形貌列入圖2 中。從圖2 可以看出，無論是二維形貌還是三維形貌，與磨削試樣表面存在較為明顯凸凹不平形貌相比，所有強化處理后的試樣表面所呈現(xiàn)出的凹凸不平程度大幅降低，甚至消失。而強化處理后試樣表面的凹凸不平程度與強化工藝有關(guān)，經(jīng)過滾壓和低載荷超聲滾壓強化，表面的凹凸不平程度顯著降低，如圖2b 和2c 所示。而高載荷超聲滾壓強化處理后試樣表面重新出現(xiàn)了凹凸不平的鱗片狀形貌，如圖2d 所示。

圖2 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面形貌（左為二維形貌，右為三維形貌）

表2 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面粗糙度。為了對比，也將磨削試樣的表面粗糙度列入表2 中。從表2 可以看出，與磨削試樣的表面粗糙度1.42 μm 相比，經(jīng)過不同強化處理后試樣的表面粗糙度均大幅降低。其中滾壓和低載荷超聲滾壓處理后試樣的表面粗糙度分別降低至0.32 μm和0.20 μm，相比磨削試樣分別降低了77.5%和85.9%；而高載荷超聲滾壓試樣的表面粗糙度稍有升高、達到了0.52 μm，但仍低于磨削試樣。若采用超過本文的高載荷參數(shù)對25CrMo4 車軸鋼試樣進行超聲滾壓處理，則其表面粗糙度值將會進一步增加，表面粗糙度的這種變化規(guī)律與Wang X D[8]報道的結(jié)果一致。

表2 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面粗糙度

25CrMo4 車軸鋼試樣的表面粗糙度隨超聲滾壓參數(shù)的不同而有所差別的原因是在較低載荷的超聲滾壓強化過程中，滾壓壓頭與工件的接觸面積較小，試樣表面達到了壓實的效果，表面粗糙度得到降低。而隨著載荷的提高，滾壓壓頭與工件的接觸面積增加，導(dǎo)致試樣表面承受的壓力和應(yīng)變增加，試樣表面會產(chǎn)生過度的塑性變形、甚至達到材料的變形極限而出現(xiàn)了褶皺和剝離的現(xiàn)象，導(dǎo)致表面粗糙度反而增加。較低的表面粗糙度將有利于材料疲勞性能的提高，而高的表面表面粗糙度將會對材料疲勞性能的提高產(chǎn)生不利的影響。

2.2 表層金相組織

圖3 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣橫截面表層的剖面金相組織。為了對比，也將磨削試樣橫截面表層的剖面金相組織列入圖3 中。從圖3可以看出，磨削試樣和不同強化處理試樣表層的剖面金相組織均與圖1 中試樣的金相組織相同，為回火索氏體+鐵素體；不同的是，與圖3a 磨削試樣表層不存在有塑性變形層相比，滾壓和超聲滾壓試樣的表層均發(fā)生了不同程度的塑性變形，且變形層內(nèi)的組織向同一方向伸長呈流線狀，距表面越近其變形程度越大。特別是高載荷超聲滾壓試樣表面30 μm 內(nèi)的塑性變形層最為明顯，如圖3b～圖3d所示。表層較深的塑性變形層對增加試樣表層的硬度、從而提高其疲勞性能產(chǎn)生有利的影響。

圖3 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣橫截面表層的剖面金相組織

2.3 表面硬度及硬化層梯度

表3 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面硬度。為了對比，將磨削試樣的表面硬度列入表3 中。從表3 可以看出，不同強化處理后試樣的表面硬度均有不同程度的增加，與磨削試樣的表面硬度301 HV0.1相比，雖然滾壓試樣的表面硬度與磨削試樣的基本相當(dāng)，但低載荷和高載荷超聲滾壓試樣的表面硬度分別提高了11.6 %和22.9 %。載荷較高的超聲滾壓處理對表面硬度的提升效果更為明顯，這是因為車軸表面經(jīng)過滾壓和超聲滾壓處理后會產(chǎn)生強烈的塑性變形層，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，從而提高了車軸鋼的表面硬度。并且載荷越高，其塑性變形程度越強，加工硬化程度越大，試樣表面獲得的硬度也就越高。

表3 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼的表面硬度

圖4 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表層硬度梯度曲線。為了對比，將磨削試樣的表層硬度梯度曲線列入圖4 中。可以看出，無論哪種強化處理的試樣，其表層硬度梯度都表現(xiàn)為隨著到表面距離的增加，硬度值先快速下降后再緩慢下降至基體的硬度值。且強化處理參數(shù)不同，試樣的硬化層深度不同。滾壓試樣的硬化層深度為100 μm左右，而低載荷和高載荷超聲滾壓試樣的硬化層深度分別為120 μm 和150 μm 左右。低載荷和高載荷超聲滾壓試樣的硬化層深度之所以大于滾壓試樣的主要原因是，超聲滾壓處理除了具有產(chǎn)生塑性變形而增加表面硬度以及產(chǎn)生一定深度的硬化層的作用之外，還具有在超聲波沖擊作用下對試樣表面進行微幅高速沖擊而產(chǎn)生附加的塑性變形、使表面硬度及其硬化層深度增加的作用，并且載荷越高，試樣表面獲得的硬度越高，其硬化層深度也越大。25CrMo4 車軸鋼試樣的表面硬度和硬化層深度的增加均會對其疲勞性能的提高產(chǎn)生有利的影響。

圖4 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的硬度梯度曲線

2.4 表面殘余應(yīng)力

表4 為不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面殘余應(yīng)力，為了對比，也將磨削試樣的表面殘余應(yīng)力加入表4 中。從表4 可以看出，與磨削試樣的軸向和周向殘余壓應(yīng)力分別為-203 MPa 和2 MPa相比，經(jīng)過不同強化處理后試樣表面的殘余應(yīng)力均變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，且均有不同程度的增加。其中，滾壓試樣、低載荷超聲滾壓試樣和高載荷超聲滾壓試樣的軸向和周向殘余應(yīng)力分別增加至-995 MPa與-358 MPa、-993 MPa 與-345 MPa 和-1 055 MPa與-362 MPa。而滾壓試樣、低載荷超聲滾壓試樣和高載荷超聲滾壓試樣的殘余壓應(yīng)力，不論是軸向還是周向的，三者之間相差不大，高載荷超聲滾壓試樣的軸向殘余應(yīng)力僅比滾壓試樣的增加了6%。三種強化處理后表面殘余壓應(yīng)力相差不大的原因主要是在不同強化處理參數(shù)下試樣最表面的塑性變形程度均達到了極限，而改變強化處理工藝或載荷參數(shù)僅僅使硬化層深度增加而已，因而經(jīng)不同強化處理后的試樣外表面的殘余應(yīng)力值相差不明顯。而不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣表面殘余壓應(yīng)力的存在而將有利于其疲勞性能的提高。且殘余壓應(yīng)力越大，其疲勞性能提高的程度就越大。

表4 不同強化處理后25CrMo4 車軸鋼試樣的表面殘余應(yīng)力

3 結(jié)語

通過研究25CrMo4 車軸鋼經(jīng)過滾壓強化和高、低載荷超聲滾壓強化后的表面形貌及粗糙度、表層微觀結(jié)構(gòu)、表面硬度和表面殘余應(yīng)力，可以得出以下結(jié)論：

（1）無論是二維形貌還是三維形貌，與磨削試樣表面存在較為明顯凸凹不平形貌相比，所有經(jīng)強化處理試樣表面所呈現(xiàn)出的凹凸不平程度均大幅降低、甚至消失，但高載荷超聲滾壓處理后試樣表面又開始出現(xiàn)了凹凸不平的鱗片狀形貌。

（2）經(jīng)過滾壓和超聲滾壓強化后，試樣表層均形成了一層塑性變形層，距表面越近其變形程度越大，且載荷越高的超聲滾壓試樣表層所形成的塑性變形層越深。

（3）低載荷和高載荷超聲滾壓試樣的表面硬度相比磨削試樣分別提高了11.6%和22.9%，并形成了深度為120 μm 和150 μm 左右的硬化層。

（4）不同強化處理試樣的軸向和周向殘余壓應(yīng)力基本相當(dāng)，高載荷超聲滾壓試樣的軸向殘余應(yīng)力僅僅比滾壓試樣的提升了6%。