超聲沖擊對高錳鋼轍叉組織與性能的影響

尚 剛，趙 暉

(沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

鐵路轍叉［1］是使車輪由一股鋼軌越過另一股鋼軌的鐵路關(guān)鍵部件。由于高錳鋼具有優(yōu)異的沖擊硬化性能、較高的強度和沖擊韌度，被廣泛用作制造鐵路轍叉材料。

高錳鋼在服役初期，其優(yōu)異的加工硬化性能并不能充分發(fā)揮，強度較低，耐磨性較差，受高速車輪的沖擊和摩擦，轍叉表面較早出現(xiàn)磨損和塑性變形現(xiàn)象。目前在實際生產(chǎn)中廣泛采用爆炸硬化技術(shù)來預(yù)硬化高錳鋼轍叉，得到了較好的預(yù)硬化效果［2-4］。但爆炸硬化技術(shù)對高錳鋼轍叉內(nèi)在鑄造質(zhì)量要求很高，成本較高，生產(chǎn)安全性較差。

超聲沖擊技術(shù)(UIT)［5-6］是一種高效的強化金屬表面、消除金屬表面殘余拉應(yīng)力、形成壓應(yīng)力、提高金屬的疲勞壽命和疲勞強度的方法。利用超聲沖擊技術(shù)對高錳鋼轍叉進(jìn)行預(yù)硬化，具有沖擊能量高、操作維修簡單、成本低、耗能少、效率高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。本文主要研究超聲沖擊硬化處理后高錳鋼轍叉顯微組織及硬度變化。

1 試驗材料及方法

試驗材料為尺寸15mm×15mm×12mm的高錳鋼試樣，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:C:1.280、Mn:13.500、Si:0.510、S:0.029、P:0.033，余量為Fe。

超聲沖擊試驗在HT2009-3超聲沖擊設(shè)備上進(jìn)行，采用七沖頭(圖1)，沖擊功率分別選取200W、400W 和600W，預(yù)壓力4kg，每個功率下沖擊四道次，每道次沖擊時間為1s，其沖擊過程如圖2所示。

圖1 七沖頭沖擊針布局圖

圖2 沖擊過程示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微硬度

利用FM-2000維氏顯微硬度儀測量超聲沖擊后試樣橫截面硬度分布。實驗用高錳鋼，基體硬度約為260HV，經(jīng)過超聲沖擊處理后發(fā)生加工硬化，試樣表面硬度顯著增加，獲得一定深度的硬化層。圖3給出了高錳鋼試樣經(jīng)過不同功率處理后硬化層硬度分布曲線，由圖3可看出，隨著沖擊功率的增大，高錳鋼試樣硬化程度不斷增加。功率為200W時，試樣表面硬度達(dá)到538.6HV，硬化層深度約為700μm;功率為400W時，試樣表層硬度達(dá)到597.6HV，硬化層深度約為1000μm;功率為600W時，試樣表層硬度達(dá)到644.9HV，硬化層深度約為1500μm。硬度分別提高約1.07倍、1.30倍和1.48倍。

圖3 不同功率處理后橫截面硬度分布

2.2 金相組織

在Axioert200MAT倒置金相顯微鏡下觀察經(jīng)不同功率處理后試樣橫截面金相組織(圖4所示)。由圖4可看出，高錳鋼經(jīng)水韌處理后為單一的奧氏體組織，晶粒相對粗大且大小不等。在晶?；蚓Ы鐨埓嬗猩倭刻蓟?，這可能是由于水韌處理過程中固溶溫度低或保溫時間短，導(dǎo)致碳化物溶解不完全。

沖擊面經(jīng)超聲沖擊處理后發(fā)生劇烈的塑性變形，并且越靠近沖擊面塑性變形越大，表層顯微組織發(fā)生了很大變化。最外層的晶粒呈扁平狀，滑移線較密集，且出現(xiàn)多滑移現(xiàn)象;隨著沖擊功率的增大，晶粒內(nèi)的變形滑移帶越密集，塑性變形越劇烈并向心部擴展，變形滑移帶范圍逐漸增大，但與基體不存在明顯的界限;隨著距沖擊面距離的加大，塑性變形程度逐漸降低，奧氏體晶粒的變形程度逐步減小，滑移線也逐漸減少，由多系滑移逐步過渡到單系滑移。

圖4 超聲沖擊前后試樣橫截面金相組織

2.3 組織形貌

試樣經(jīng)超聲沖擊發(fā)生的塑性變形使其橫截面產(chǎn)生不同的組織形貌。圖5為在S-3400N掃描電子顯微鏡下觀察到的超聲沖擊后試樣橫截面組織形貌。由圖5可看出，試樣經(jīng)超聲沖擊后的橫截面組織分為三個區(qū)域:劇烈變形層、過渡層和基體。其中，劇烈變形層既表面白亮層，是表面受到?jīng)_擊針的直接接觸高速撞擊所致。過渡層的形成是沖擊過程中產(chǎn)生的高溫和塑性變形由試樣表面向心部擴展的結(jié)果。與在金相顯微鏡下觀察到的結(jié)果相比，可明顯看到過渡層與基體之間的界限，因此可大致估算出試樣經(jīng)超聲沖擊后的變形層厚度。

圖5 超聲沖擊后橫截面SEM圖

圖6為變形層厚度隨沖擊功率變化曲線。由圖6可看出:變形層厚度隨沖擊功率的提高增加較快，用200W、400W、600W三個功率分別沖擊4道次產(chǎn)生的變形層厚度分別為20μm、90μm和180μm。

圖6 變形層厚度隨沖擊功率變化曲線

3 結(jié)論

(1)高錳鋼轍叉試樣表面經(jīng)超聲沖擊后顯微硬度明顯提高;經(jīng)功率為600W超聲沖擊處理后的試樣表面硬度最多提高了1.48倍，硬化層約達(dá)1500μm。

(2)試樣表面經(jīng)超聲沖擊處理后，表層晶粒內(nèi)產(chǎn)生密集滑移線并出現(xiàn)多滑移現(xiàn)象;隨著距沖擊面距離的增加，多系滑移逐步過渡到單系滑移，滑移帶與基體沒有明顯界限。

(3)試樣經(jīng)超聲沖擊后的橫截面組織形貌分為劇烈變形層、過渡層和基體三個區(qū)域，經(jīng)功率為600W超聲沖擊4道次產(chǎn)生的變形層厚度最大約180μm。

［1］張福成.高錳鋼轍叉材料研究進(jìn)展［J］.燕山大學(xué)學(xué)報，2010，34(3):189-193.

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