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    車軸鏡面加工及表面強化工藝

          車軸是承受機車車輛質量的關鍵部件,在運行中要承受靜載荷、動載荷和制動附加載荷的作用,失效的主要形式是疲勞破壞”.近年來,隨著鐵路的高速化和重載化,車軸的疲勞破壞日益嚴重,對行車的安全性能提出了嚴峻的挑戰.疲勞損傷”往往發生在表面或從表面開始,然后逐漸向內部擴展并最終導致整個構件失效,造成了巨大經濟損失和安全隱患.因此,可以通過改變表面晶粒的結構、硬度或殘余應力來提高表面性能﹐從而減少或延緩車軸的失效,對保證軌道交通的順暢通行有積極意義。
          目前在實際生產中廣泛采用金屬表面強化技術來提高車軸鋼表面性能,主要有噴丸強化、滾壓強化和感應淬火等。這些方法取得了良好的強化效果,但也存在著一些局限性,如設備龐大,效率低,污染大,處理效果還沒有達到人們的預期。

            豪克能金屬表面鏡面加工強化技術作為一種有效的表面強化方法,可以使金屬表面產生彈塑性變形﹐晶粒減小,硬度增加,同時改變表面的殘余應力狀態、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能;并且豪克能設備體積小、質量輕,噪聲小污染少,成本低耗能少;豪克能處理具有速度快,強化層較深,可以引入較大的殘余壓應力,同時不受工件形狀限制,還可以與其它設備組成生產線等優特點﹐故可以把豪克能技術應用于車軸鋼的表面強化上,提高其綜合力學性能。

    可以看到車軸鋼試樣經過豪克能鏡面加工處理后,表面發生了明顯變化,如下圖所示。

     


    從圖中看到了明顯的分界線,可以發現豪克能處理過的部分光澤更好,表面很光滑。 這是因為在高頻沖擊的作用下,表面產生了劇烈的塑性變形,波峰波谷之間的差距越來越小,使得試樣表面粗糙度減小。

    金屬表面晶粒細化
    車軸鋼經豪克能鏡面加工處理后,表面發生了未微觀塑性變形,晶粒明顯細化;
     

    顯微硬度

     

    表面硬度提高機理:
    車軸鋼屬于中高層錯能金屬,塑性變形方式主要通過位錯的運動,試樣表面首先在高頻沖擊的重復作用下,產生了大量位錯,并通過滑移、累積、交互作用、湮滅和重排等形成了位錯墻和位錯纏結,這些位錯墻和位錯纏結將原始晶粒分割成尺寸較小的位錯胞;隨著應變的增加,位錯密度不斷增大,為了降低系統的能量,高密度位錯會在位錯墻和位錯纏結附近發生湮滅和重排,使得位錯墻和位錯纏結發展成亞晶界。 亞晶界的形成降低了位錯的密度,使得晶粒尺寸明顯減小。 同時,位錯在運動時相互交割加劇,一方面增加了位錯線的長度,另一方面產生了固定割階、位錯纏結等障礙,這些都會使位錯運動阻力增大,引起變形抗力增加,要想使金屬進一步塑性變形,就必須增大外力,于是就提高了金屬的強度。除此之外,在一定深度范圍內,材料的硬度是存在梯度的,即隨著距離表面深度的增加,晶粒逐漸變細,表面的硬度逐漸減小。

    預置壓應力
    車軸經過豪克能鏡面加工設備強化加工之后,表面應力狀況發生改變,有拉應力改變為壓應力;有效延緩疲勞裂紋的萌生,延長車軸的服役壽命。
     

    (1)車軸鋼在經豪克能鏡面加工處理后,表面發生了劇烈的塑性變形﹐晶粒明顯細化,顯微硬度呈梯度化,隨著距表面深度的增加,變形量逐漸減小,依次分為劇烈變形層、過渡層和基體,變形區與基體沒有明顯界限;

    (2)隨豪克能沖擊功率的增加,變形層厚度增大,表面粗糙度減小﹐表面硬度提高,與基體未經超聲沖擊處理的試樣相比,在功率180 W作用下,試樣的表面硬度提高了25%,表面粗糙度降低了6.5倍,變形層厚度大約為80 um,試樣最表層已轉變為均勻的等軸狀納米晶,晶粒尺寸為40~50 nm;

    (3)車軸鋼表面硬度的提高是晶粒細化和加工硬化共同作用的結果。

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