电力机车主传动齿轮轴油孔孔角超声冲击强化处理

(1. 陆军装甲兵学院装备保障与再制造系， 北京 100072； 2. 63870部队, 陕西 华阴 714200)

随着铁路技术的不断发展，提速、重载、安全和高效化成为机车车辆发展的趋势，而研究和改进机车传动系统齿轮的抗疲劳性能则是近年的关注热点[1]。当前机车主要采用齿轮传动形式，因此机车牵引电机小齿轮轴作为机车动力源的第一级输出构件，其安全性更显重要。齿轮传动时要求的高功率、高转速以及尽可能长的运行寿命和强承载能力，使得其在运行过程中承受巨大的牵引扭矩和振动负荷。同时齿轮轴工作条件恶劣，为故障多发构件，特别容易出现接触疲劳[2-3]、高周疲劳和微动疲劳[4]等故障。某型电力机车动力输出转轴组件(锥面过盈配合件)中的小齿轮轴在服役寿命40～50万km时，多次出现早期疲劳断裂/开裂失效现象(如图1所示)，根据失效分析的结果[5-7]，齿轮轴大端油孔与油槽交界孔处的应力集中是造成该齿轮轴疲劳破坏的主要原因，然而目前尚无有效的改进措施。为此，笔者提出一种对齿轮轴应力集中区进行孔角超声冲击强化和表面抛磨复合处理的工艺[8-10]，研究超声冲击处理前后齿轮轴的表面完整性及组织和显微硬度变化，并测定强化前后的残余应力。

图1 齿轮轴大端油孔与油槽交界孔处开裂

1 材料及方法

齿轮轴材料为17CrNiMo6，该材料具有良好的强韧性，工程中多用于齿轮类零件，其化学成分和拉伸力学性能分别如表1、2所示。采用研制的UIT-Ⅲ型超声冲击设备对齿轮轴进行超声冲击强化处理，其工艺参数为：电流0.8～0.9 A，冲击频率20 kHz，时长60 s。

经超声冲击强化处理后，首先采用细砂纸和超声抛光工具对齿轮轴孔角处进行打磨和抛光，以去除毛刺、降低粗糙度，进而改善表面完整性；其次，采用体视显微镜观察齿轮轴油孔，并采用Olympus Lext 3D Measuring Lasure Microscope三维形貌仪测量齿轮轴孔角处的表面粗糙度，对表面完整性进行表征；然后，在齿轮轴孔角处切取试样进行镶样、磨样、抛光和4%硝酸酒精腐蚀，利用Olympus金相显微镜观察其金相变化，并采用Micromet-6030自动显微硬度计测量其显微硬度，载荷为0.98 N，加载时长为15 s；最后，采用X-350A型X射线应力测定仪，侧倾固定ψ法测定齿轮轴孔角处的残余应力。

表1 齿轮轴材料17CrNiMo6化学成分 wt%

表2 齿轮轴材料17CrNiMo6拉伸力学性能(23 ℃)

2 结果与分析

2.1 表面完整性

图2为齿轮轴油孔经超声冲击强化与表面抛磨复合处理前后的体视显微镜照片。可以看出：处理前的齿轮轴可清晰地看到沿油槽方向(周向)的加工纹理，这是机加工工艺产生的加工刀痕，由于刀痕根部存在应力集中，因此会消弱齿轮轴的抗疲劳性能；处理后的齿轮轴油孔表面细腻光亮，超声强化冲击压痕有较明显的交界线，产生了较大的塑性变形且变形较均匀，形成了约2.5～3 mm的倒角。

超声冲击强化与表面抛磨复合处理前后齿轮轴

图2 齿轮轴油孔体视显微镜照片

孔角处的表面粗糙度Ra的测量结果如表3所示。可以看出：处理后的齿轮轴孔角处的表面粗糙度降低了约52.7%。表面粗糙度是表征表面完整性的重要指标，超声冲击强化与表面抛磨复合处理工艺去除了机加工纹理、降低了表面粗糙度、提高了齿轮轴的表面完整性，这有益于提高其抗疲劳性能[11]。

表3 齿轮轴孔角处表面粗糙度Ra测量结果 μm

结合图2和表3可得：齿轮轴油孔经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后，在孔边引入了倒角，降低了表面粗糙度，且有效减轻了应力集中程度，即降低了油孔孔角处的应力水平。

2.2 组织变化

图3为不同放大倍数下齿轮轴表层组织。可以看出：表层组织为针状马氏体和一定量的合金碳化物组织，这使得表层的硬度、耐磨性和接触疲劳强度提高。分析其原因为：齿轮轴材料中Cr、Ni、Mo元素的存在大大提高了其淬透性，因此经渗碳淬火、回火后表层几乎能完全转变为低碳马氏体；而Cr、Mo为碳化物形成元素，致使淬火加热时奥氏体晶粒不易长大粗化。

图3 不同放大倍数下齿轮轴表层组织

图4为超声冲击强化与表面抛磨复合处理齿轮轴孔角处斜面附近材料的金相显微镜照片。可以看出：被处理区表层存在已难以分辨组织的白亮层，其厚度约为80 μm，这表明该层材料因复合处理产生了超细晶和纳米晶，并呈现出由窄到宽的塑性流动痕迹。分析其原因为：在超声应力波叠加和材料局部大转动速率等因素的联合作用下[12]，齿轮轴孔角处表层材料产生剧烈的塑性变形，使处理区域表层产生高密度位错，形成位错胞或位错墙；随着变形量的继续增大，位错胞数量增加，晶粒尺寸减小，胞壁的位错密度增大，并不断向晶界运动，最终胞壁位错缠结不断集聚，形成小角度的织构界面，而晶内出现大量亚微米量级的亚晶粒；在剪应力作用下，亚晶粒内小角度织构发生旋转，使得生成的大角度亚晶粒不断破碎和旋转，最终形成具有大角度晶界的超细晶和纳米级晶[13]。

图4 齿轮轴孔角处斜面附近材料金相显微镜照片

晶粒细化是金属材料的强化机制之一，细晶强化不仅会提高材料的强度，而且会改善材料的韧性。因此，在经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后，齿轮轴孔角材料的综合强韧性会有较大的提高，这有益于提高齿轮轴油孔处的抗疲劳性能[14-16]。

2.3 显微硬度

图5、6为显微硬度测试位置图及其对应的显微硬度梯度变化曲线，其中测量点间隔为0.3 mm。

图5 显微硬度测试位置图

图6 显微硬度梯度变化曲线

由图6可以看出：经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后的显微硬度增大，其中齿轮轴孔角处最大，约为588 HV，较处理前齿轮轴的平均值406 HV提高了44.8%；随着距表面距离的增大，经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后齿轮轴的显微硬度逐渐减小，这表明齿轮轴孔角处材料因塑性变形过程中的增值、位错缠结和晶粒细化而产生了明显的加工硬化，从而材料的显微硬度得以提高。齿轮轴材料表层显微硬度的提高，在一定程度上有利于提高结构件的抗疲劳性能[17]。

2.4 残余应力

残余应力是影响结构疲劳寿命的重要因素。残余应力实际测试点位置如图7所示，测量结果见表4。

图7 残余应力实际测试点位置

MPa

由表4可以看出：

1) 超声冲击强化与表面抛磨复合处理前，齿轮轴孔角处残余应力小，其平均值为-213.1 MPa，这是由机械加工造成的。热处理并渗碳后去除了一定厚度的渗碳层(淬硬层)，从而使位于孔角处的残余应力减小。

2) 经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后，齿轮轴孔角处附近材料残余应力显著增大，平均残余应力增大了1.47倍，而靠近孔角处的疲劳危险点(1、2号点)的残余应力增大了1.99倍；

3) 齿轮轴孔角处两端(1、2号点)的残余应力值相差较小，这表明残余应力分布较均匀。

残余压应力可降低外加交变载荷中的拉应力水平，从而提高疲劳裂纹萌生的临界应力水平。同时，残余应力的提高有利于减小裂纹扩展速率，从而达到抑制裂纹扩展、延长齿轮轴疲劳寿命的目的[18-19]。

3 结论

齿轮轴孔角处经超声冲击强化与表面抛磨复合处理后，得到以下结果：

1) 齿轮轴孔角处形成了约2.5～3 mm的倒角，表面粗糙度由原始的2.16 μm降为1.02 μm，这使得孔角的应力集中程度得以降低，并使齿轮轴油孔的表面完整性得到改善；

2) 齿轮轴孔角处表层强化区产生了明显的加工硬化，其显微硬度提高了44.8%，表层产生了厚度约80 μm的超细晶和纳米晶强化层，综合强韧性得到了提高。

3) 齿轮轴孔角附近的残余应力的平均值由-213.1 MPa提高到-526.8 MPa，且油孔孔角两端残余应力值分布较均匀。

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