超声冲击对高锰钢辙叉组织与性能的影响

尚 刚，赵 晖

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

铁路辙叉［1］是使车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的铁路关键部件。由于高锰钢具有优异的冲击硬化性能、较高的强度和冲击韧度，被广泛用作制造铁路辙叉材料。

高锰钢在服役初期，其优异的加工硬化性能并不能充分发挥，强度较低，耐磨性较差，受高速车轮的冲击和摩擦，辙叉表面较早出现磨损和塑性变形现象。目前在实际生产中广泛采用爆炸硬化技术来预硬化高锰钢辙叉，得到了较好的预硬化效果［2-4］。但爆炸硬化技术对高锰钢辙叉内在铸造质量要求很高，成本较高，生产安全性较差。

超声冲击技术(UIT)［5-6］是一种高效的强化金属表面、消除金属表面残余拉应力、形成压应力、提高金属的疲劳寿命和疲劳强度的方法。利用超声冲击技术对高锰钢辙叉进行预硬化，具有冲击能量高、操作维修简单、成本低、耗能少、效率高、对环境无污染等优点。本文主要研究超声冲击硬化处理后高锰钢辙叉显微组织及硬度变化。

1 试验材料及方法

试验材料为尺寸15mm×15mm×12mm的高锰钢试样，化学成分(质量分数%)为:C:1.280、Mn:13.500、Si:0.510、S:0.029、P:0.033，余量为Fe。

超声冲击试验在HT2009-3超声冲击设备上进行，采用七冲头(图1)，冲击功率分别选取200W、400W 和600W，预压力4kg，每个功率下冲击四道次，每道次冲击时间为1s，其冲击过程如图2所示。

图1 七冲头冲击针布局图

图2 冲击过程示意图

2 试验结果及分析

2.1 显微硬度

利用FM-2000维氏显微硬度仪测量超声冲击后试样横截面硬度分布。实验用高锰钢，基体硬度约为260HV，经过超声冲击处理后发生加工硬化，试样表面硬度显著增加，获得一定深度的硬化层。图3给出了高锰钢试样经过不同功率处理后硬化层硬度分布曲线，由图3可看出，随着冲击功率的增大，高锰钢试样硬化程度不断增加。功率为200W时，试样表面硬度达到538.6HV，硬化层深度约为700μm;功率为400W时，试样表层硬度达到597.6HV，硬化层深度约为1000μm;功率为600W时，试样表层硬度达到644.9HV，硬化层深度约为1500μm。硬度分别提高约1.07倍、1.30倍和1.48倍。

图3 不同功率处理后横截面硬度分布

2.2 金相组织

在Axioert200MAT倒置金相显微镜下观察经不同功率处理后试样横截面金相组织(图4所示)。由图4可看出，高锰钢经水韧处理后为单一的奥氏体组织，晶粒相对粗大且大小不等。在晶粒或晶界残存有少量碳化物，这可能是由于水韧处理过程中固溶温度低或保温时间短，导致碳化物溶解不完全。

冲击面经超声冲击处理后发生剧烈的塑性变形，并且越靠近冲击面塑性变形越大，表层显微组织发生了很大变化。最外层的晶粒呈扁平状，滑移线较密集，且出现多滑移现象;随着冲击功率的增大，晶粒内的变形滑移带越密集，塑性变形越剧烈并向心部扩展，变形滑移带范围逐渐增大，但与基体不存在明显的界限;随着距冲击面距离的加大，塑性变形程度逐渐降低，奥氏体晶粒的变形程度逐步减小，滑移线也逐渐减少，由多系滑移逐步过渡到单系滑移。

图4 超声冲击前后试样横截面金相组织

2.3 组织形貌

试样经超声冲击发生的塑性变形使其横截面产生不同的组织形貌。图5为在S-3400N扫描电子显微镜下观察到的超声冲击后试样横截面组织形貌。由图5可看出，试样经超声冲击后的横截面组织分为三个区域:剧烈变形层、过渡层和基体。其中，剧烈变形层既表面白亮层，是表面受到冲击针的直接接触高速撞击所致。过渡层的形成是冲击过程中产生的高温和塑性变形由试样表面向心部扩展的结果。与在金相显微镜下观察到的结果相比，可明显看到过渡层与基体之间的界限，因此可大致估算出试样经超声冲击后的变形层厚度。

图5 超声冲击后横截面SEM图

图6为变形层厚度随冲击功率变化曲线。由图6可看出:变形层厚度随冲击功率的提高增加较快，用200W、400W、600W三个功率分别冲击4道次产生的变形层厚度分别为20μm、90μm和180μm。

图6 变形层厚度随冲击功率变化曲线

3 结论

(1)高锰钢辙叉试样表面经超声冲击后显微硬度明显提高;经功率为600W超声冲击处理后的试样表面硬度最多提高了1.48倍，硬化层约达1500μm。

(2)试样表面经超声冲击处理后，表层晶粒内产生密集滑移线并出现多滑移现象;随着距冲击面距离的增加，多系滑移逐步过渡到单系滑移，滑移带与基体没有明显界限。

(3)试样经超声冲击后的横截面组织形貌分为剧烈变形层、过渡层和基体三个区域，经功率为600W超声冲击4道次产生的变形层厚度最大约180μm。

［1］张福成.高锰钢辙叉材料研究进展［J］.燕山大学学报，2010，34(3):189-193.

［2］张观军，杨涤心，魏世忠，等.爆炸硬化处理对高锰钢冲击磨损性能影响的研究［J］.润滑与密封，2007，32(3):131-135.

［3］张福成，吕博，刘辉，等.爆炸硬化ZGMnl3Cu2NV钢辙叉的组织和性能［J］.机械工程报，2008，44(6):131-136.

［4］安二峰，杨军，陈鹏万.高锰钢整铸辙叉爆炸硬化实践与研究［J］.爆破器材，2009，38(2):25-28.

［5］LU K，LU J.Surface Nanocrystallization(SNS)of Metallic Materials-Presentation of the Concept Behind a New Approach［J］.J Mater Sci Technol，1999，15(3):39-43.

［6］LIU G，WANGS C，PAN D，et al.Low Carbon Steel with Nanostructured Surface Layer Induce by High Energy Shot Peening［J］.Scripts Mater，2001，44(8/9):1791-1795.