一種提高機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞性能的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料表面納米化技術領域，具體涉及一種提高機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞性能的方法。
【背景技術】
[0002]作為軌道車輛運行過程中最重要的部件之一，機車輪軸的質量及使役性能直接關系到軌道車輛的安全性。機車輪軸在使役過程中主要受旋轉彎曲載荷的作用，極有可能發(fā)生疲勞裂紋誘發(fā)的疲勞破壞，若機車車輛在運行過程中一旦發(fā)生輪軸的疲勞斷裂，勢必引起列車脫軌甚至翻車等嚴重責任事故。因此，提高機車輪軸的疲勞性能對機車車輛的安全運行具有重要的意義。當前軌道車輛行業(yè)一般采用增加機車輪軸的直徑以防止疲勞破壞的發(fā)生，雖然這種方法有效提高了機車輪軸的使役壽命，但與當前軌道車輛輕量化以及節(jié)能減排的目標是相悖的。機車輪軸用新型高強合金鋼材料雖然可能會提高輪軸的疲勞性能，但是新型材料的開發(fā)及后續(xù)配套的輪軸制造工藝的研發(fā)又帶來潛在成本的增加。如何在實現(xiàn)軌道車輛輕量化以及降低成本的前提下提高機車輪軸的疲勞性能成為亟需解決的技術問題。
[0003]目前工業(yè)中提高軸類材料疲勞性能的方法主要包括:利用表面中頻淬火等熱處理方法在材料表面獲得淬硬層；利用表面滲氮、表面滲碳、表面滲鋁等等表面合金化方法改變材料表面的成分與相組成，在材料表面制備出具有優(yōu)異性能的合金化表層；利用噴涂、表面沉積技術(如表面電鍍硬鉻等)方法在材料表面制備硬質涂層；利用表面機械研磨處理、噴丸、超聲噴丸、深滾壓等表面機械處理的方法在材料表面原位制備出強化層。但是，以上幾種提高軸類材料疲勞性能的方法均在不同程度上存在局限性。首先，利用表面中頻淬火在材料表面獲得淬硬層脆性高，機械加工困難，并且在使役過程中易于開裂并脫落。利用表面合金化方法得到的合金化表層(滲碳層、氮化層、滲鋁層等)與基體材料在熱物理性能上(線膨脹系數(shù)、彈性模量等)存在較大的差異，合金化層與基體的結合性能是決定材料使役性能的關鍵因素，在苛刻環(huán)境下容易發(fā)生合金化層的脫落；并且表面合金化工藝復雜，具有高能耗、高污染、周期長等缺點。利用噴涂、表面沉積技術等方法在材料表面制備的硬質涂層與基體的結合方式通常是機械結合，未實現(xiàn)緊密的冶金結合，因此涂層也面臨使役過程中脫落的問題。表面機械研磨處理雖然可以在軸類材料表面得到一定厚度的納米結構層，但是處理后材料表面粗糙度值較高，并且處理效率較低，成本較高，處理過程中存在噪聲污染問題。噴丸、超聲噴丸和深滾壓等方法可以在軸類材料表面得到厚度不等的殘余壓應力層，以提升軸類材料的疲勞性能，但是這些方法對材料組織細化的幅度有限，經(jīng)處理后軸類材料最表層最細僅能達到亞微米級，若在使用過程中殘余壓應力釋放后其疲勞性能將難以達到使用要求；此外，噴丸和超聲噴丸還存在噪音及粉塵處理等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種提高機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞性能的方法，該方法實現(xiàn)方式簡單，可通過對機車輪軸鋼進行表面納米化處理，使機車輪軸鋼的旋轉彎曲疲勞性能得到顯著提升。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
[0006]一種提高機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞性能的方法，該方法采用表面機械碾壓處理技術(SMGT)對機車輪軸鋼進行表面納米化處理，使機車輪軸鋼的旋轉彎曲疲勞性能得到提升。所述機車輪軸鋼為LZ50中碳合金鋼。
[0007]所述表面機械碾壓處理技術(SMGT)在表面納米化處理系統(tǒng)上實現(xiàn)；該處理系統(tǒng)包括處理刀頭和冷卻潤滑系統(tǒng)，所述處理刀頭的前端設置能夠自由滾動的WC-Co硬質合金球，通過冷卻潤滑系統(tǒng)對所述WC-Co硬質合金球進行冷卻和潤滑，以保證處理刀頭的WC-Co硬質合金球在碾壓機車輪軸鋼時能夠高速自由滾動，并減小碾壓處理帶來的溫升。
[0008]所述表面機械碾壓處理過程為:所述WC-Co硬質合金球壓入高速旋轉的機車輪軸鋼回轉件表面一定深度ap的同時，所述處理刀頭沿機車輪軸鋼的軸向(或與機車輪軸鋼回轉件的表面輪廓線平行的方向)以進給速度v2進給，所述WC-Co硬質合金球在機車輪軸鋼表面進行高速滾動并碾壓，從而使機車輪軸鋼表層組織發(fā)生強烈塑性變形以獲得梯度納米結構并使表面組織均勻化，同時降低機車輪軸鋼表面的粗糙度Ra值。
[0009]所述表面機械碾壓處理的工藝參數(shù)選擇為:機車輪軸鋼回轉件旋轉的線速度Vl為8X 103-5X 104mm/min,所述處理刀頭的進給速度(以機車輪軸鋼回轉件每旋轉一周處理刀頭的前進距離計算)力為7.5X 10 3-4.7X 10 2mm/r，處理道次(即機車輪軸鋼回轉件處理長度范圍內(nèi)循環(huán)處理次數(shù))η為2-6，每個處理道次所述WC-Co硬質合金球在機車輪軸鋼表面的壓入深度ap為25-150 μ m。
[0010]所述處理刀頭的WC-Co硬質合金球直徑為4-8mm。所述冷卻潤滑系統(tǒng)包括冷卻潤滑液、冷卻通道及油壓泵，所述冷卻通道開設于所述處理刀頭內(nèi)軸向方向，通過油壓泵向冷卻通道內(nèi)通入冷卻潤滑液對所述硬質球及機車輪軸鋼表面接觸部位進行冷卻和潤滑。
[0011]機車輪軸鋼采用表面機械碾壓處理技術處理后，表面粗糙度(Ra低于0.4μπι)較車削態(tài)表面有顯著改善；最表層晶粒細化為納米級(晶粒尺寸為10-50nm)，梯度組織細化層厚度達90-500 μ m ;表面硬度呈梯度分布狀態(tài)，最表層顯微硬度值大于3.0GPa,比基體硬度值(2.3GPa)大幅提高；旋轉彎曲疲勞性能得到顯著提升(旋轉彎曲疲勞強度極限大于320MPa,比精磨態(tài)顯著提高)。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有的提高軸類材料疲勞性能的方法相比有以下優(yōu)點:
[0013](1)實現(xiàn)形式簡單，工藝過程穩(wěn)定性高，處理效率高，容易進行產(chǎn)業(yè)化推廣應用。本發(fā)明的表面機械碾壓技術屬于環(huán)境友好型表面納米化處理技術，處理過程是在表面納米化處理系統(tǒng)上進行的。該系統(tǒng)可與普通手動車床、數(shù)控車床、磨床等加工機床無縫對接，處理過程中不需要金屬顆粒作為能量載體，因此不會涉及到粉塵處理及金屬顆?；厥盏葐栴}，大大提高了處理效率，節(jié)約了成本。
[0014](2)采用本發(fā)明進行處理后，軸類材料表面組織均勻化程度高，表面光潔度好。本發(fā)明對軸類材料處理后，表層組織實現(xiàn)均勻化，優(yōu)于豪克能等斷續(xù)加載的處理方式。經(jīng)過對材料表面處理之后，表面光潔度顯著提高，表面粗糙度值Ra可達0.05-0.4 μ m之間。
[0015](3)表層組織細化效果明顯。經(jīng)過本發(fā)明的表面納米化方法處理后，材料表層組織在大應變量、高應變速率及應變梯度的作用下形成了梯度納米結構，最表層晶粒尺寸可達10-50nm，梯度納米結構層的厚度達20-50 μ m，梯度組織細化層厚度可達150-500 μ m。而采用噴丸、超聲噴丸、豪克能及深滾壓等表面機械處理方法一般難以得到納米結構，組織細化層的厚度也較小。
[0016](4)梯度納米結構層與基體無明顯界面。采用表面合金化、噴涂、表面沉積等方法得到的合金化層或涂層與基體材料存在明顯的界面，界面兩側的基體與合金化層在熱物理性能上存在較大的差異，因此在服役過程中容易發(fā)生界面開裂甚至合金化層與基體脫落的現(xiàn)象，限制了軸類材料疲勞性能的提升。采用本發(fā)明得到的梯度納米結構層與基體之間無明顯界面，不存在梯度納米結構層與基體結合的問題，梯度納米結構層與基體的性能匹配度高，有效提升了材料的疲勞性能。
【附圖說明】
[0017]圖1為機車輪軸鋼表面機械碾壓處理原理示意圖；其中:圖(b)為圖(a)的右視圖(部分)。
[0018]圖中:1-WC-Co硬質合金球；2_支撐底座；3_外護套；4_冷卻潤滑液；5_機車輪軸鋼回轉件；6_梯度納米結構層。
[0019]圖2為機車輪軸鋼供貨態(tài)的微觀組織照片。
[0020]圖3為機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞試樣尺寸及表面納米化處理部位示意圖。
[0021]圖4為機車輪軸鋼旋轉彎曲疲勞試樣表面納米化處理后的表面形貌。
[0022]圖5為機車輪軸鋼表面納米化處理前后表面的微觀組織與輪廓曲線對比；其中:(a)表面納米化處理前的表面微觀組織；(b)表面納米化處理后的表面微觀組織；(c)表面納米化處理前的表面輪廓曲線；(d)表面納米化處理后的表面輪廓曲線。
[0023]圖6為機車輪軸鋼經(jīng)表面納米化處理后的表層橫斷面微觀組織照片。
[0024]圖7為機車輪軸鋼經(jīng)表面納米化處理后最表層透射電鏡分析結果；其中:(a)最表層明場像；(b)最表層暗場像；(c) (a)區(qū)域的選區(qū)電子衍射照片；(d)最表層晶粒尺寸統(tǒng)計分布圖。
[0025]圖8為機車輪軸鋼經(jīng)表面納米化處理后表層顯微硬度分布。
[0026]圖9為機車輪軸鋼表面納米化處理態(tài)與精磨態(tài)試樣旋轉彎曲疲勞S-N曲線對比。
[0027]圖10為機車輪軸鋼精磨態(tài)旋轉彎曲疲勞試樣斷裂位置。
[0028]圖11為機車輪軸鋼精磨態(tài)旋轉彎曲疲勞試樣斷口表面掃描電鏡照片；其中:(a)疲勞裂紋萌生位置；(b)為(a)中A區(qū)的放大像。
[0029]圖12為機車輪軸鋼表面納米化處理態(tài)旋轉彎曲疲勞試樣斷裂位置。
[0030]圖13為機車輪軸鋼表面納米化處理態(tài)旋轉彎曲疲勞試樣斷口表面掃描電鏡照片；其中:(a)疲勞裂紋萌生位置；(b) (a)中A區(qū)的放大像。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明采用表面機械碾壓處理技術(SMGT)對機車輪軸鋼進行表面納米化處理，從而使機車輪軸鋼的旋轉彎曲疲勞性能得到顯著提升。處理過程在表面納米化處理系統(tǒng)上進行，表面納米化處理的原理示意圖如圖1所示。該表面納米化處理系統(tǒng)是由處理刀頭和冷卻潤滑系統(tǒng)組成的。處理刀頭前端設置一個可自由滾動的WC-Co硬質合金球l，WC-Co硬質合金球嵌入到處理刀頭的支撐底座2和外護套3之間，支撐底座2和外護套3之間是通過螺紋連接的。通過松緊螺紋可以適當調(diào)整支撐底座2和外護套3之間的配合關系，從而使WC-Co