摘 要:開發(fā)了３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼汽車半軸,研究了熱鍛后冷卻速率對３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸顯微組織、力學性能的影響,并與４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸進行了對比,討論了半軸疲勞壽命的主要影響因素.結(jié)果表明:通過熱鍛后風冷可減?。常窶nVS非調(diào)質(zhì)鋼中鐵素體尺寸和珠光體片層間距, 沖擊韌性由空冷后的 １６．８４J提高到風冷后的 ４３．７４J;３８MnVS 非調(diào)質(zhì)鋼具有良好的淬透性; ３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸的疲勞壽命可達到４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸的水平,并且通過減小花鍵模數(shù)、增 大花鍵齒根過渡圓角半徑以及適當?shù)卦黾佑不瘜由疃瓤蓪ⅲ常窶nVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸的疲勞壽命提 高到３０萬次以上,可以代替４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸. 

關鍵詞:半軸;非調(diào)質(zhì)鋼;淬透性;疲勞壽命;顯微組織 

中圖分類號:U４６５．１            文獻標志碼:A              文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)１１Ｇ００５３Ｇ０６

０ 引 言 

非調(diào)質(zhì)鋼是在碳鋼的基礎上添加微量的釩、鈦、 鈮等合金元素,通過控鍛控冷技術使碳氮化物彌散 析出而產(chǎn)生沉淀強化和細晶強化的一種鋼[１Ｇ２].由 于簡化了生產(chǎn)工藝,該鋼具有節(jié)能、環(huán)保、成本低等 優(yōu)點,并且加工出的零件具有精度高、尺寸效應小等 特點,同時可以避免長軸類零件的淬火變形、開裂等 問題,有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量.因此,國內(nèi)外汽車行 業(yè)的研究者正致力于把非調(diào)質(zhì)鋼應用于汽車鍛件 中[３Ｇ４].半軸作為一種長軸類零件,是汽車的重要部 件,起到傳遞扭矩的作用,需要具有較高的強韌性和 良好的疲勞性能.傳統(tǒng)汽車半軸材料通常采用中碳 鋼或中碳合金鋼,并通過調(diào)質(zhì)處理來保證其性能[５Ｇ６].非調(diào)質(zhì)鋼汽車半軸的開發(fā)難度較大,特別是有關乘用 車非調(diào)質(zhì)鋼半軸的研制并不多見,這是由于半軸花鍵 及過渡區(qū)的鍛造比較小,容易產(chǎn)生晶粒粗大的現(xiàn)象, 從而能造成該處的強韌性降低,因此有必要對非調(diào)質(zhì) 鋼汽車半軸的生產(chǎn)工藝及性能進行研究. 

為此,作者開發(fā)一種３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼全浮式 汽 車 半 軸 來 代 替 原 ４２CrMo 調(diào) 質(zhì) 鋼 半 軸,對 ３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸的顯微組織和力學性能進 行了研究,并與４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼進行了對比,同時討 論了影響汽車半軸疲勞壽命的因素.

１ 試樣制備與試驗方法 

１．１ 試樣制備 

試驗用原材料為某鋼廠生 產(chǎn) 的 ４２CrMo商 業(yè) 用鋼和南鋼生產(chǎn)的?３２．５ mm 的３８MnVS非調(diào)質(zhì) 鋼,其化學成分見表１.３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn) 流程為:高爐 冶 煉 → 鐵 液 預 處 理 → 電 爐 冶 煉 → 二 次精煉→連鑄(鑄坯規(guī)格３２０mm×４８０mm)→開 坯(規(guī)格為１５０ mm×１５０ mm)→軋鋼(控 軋 鋼 棒 ?３２．５mm )→成品(控冷).

試制半軸的形狀及尺寸如圖１所示,主要包括 法蘭盤、桿部、花鍵３個部分,其中法蘭盤和花鍵經(jīng) 熱鍛成型.非調(diào)質(zhì)鋼半軸的生產(chǎn)工藝流程為:下料 →熱鍛＋控冷(風冷、空冷)→機械加工→中頻感應 淬火＋回火→成品.熱鍛的加熱溫度為１２００ ℃, 終鍛溫度約１０７０ ℃,采用 ThermoＧCalc熱力學軟 件 TCFE３數(shù)據(jù)庫測得試驗鋼中釩的完全固溶溫度 為１１１６ ℃,因此所設加熱溫度可以保證釩的固溶 量以及析出強化效果,同時控制高溫段的停留時間, 以防組織粗化和力學性能下降.鍛后冷卻分為單件 風冷(冷卻速率２．４~３ ℃·s－１)至６００ ℃后空冷和 單件空冷(冷卻速率１．６~１．８ ℃·s－１)兩種工藝,比 較不同 冷 卻 速 率 對 其 組 織 和 性 能 的 影 響. 采 用 BHVＧ１０００．１×２．２ＧZ．SG 型立式中頻感應淬火機床 進行連續(xù)感應加熱淬火,機床功率為９０~１０２kW, 電流頻率為８．８~９．６kHz,淬火加熱溫度為９００℃, 感應線圈的移動速度為３００~４６０mm·min－１,冷卻 液為１０~４０℃的體積分數(shù)１０％AQ２５１淬火液,通過 調(diào)節(jié)感應淬火的參數(shù)來控制硬化層深度.感應淬火 后在４h內(nèi)進行２００℃×２h回火. 

１．２ 試驗方法 

在半軸花鍵及桿部截取金相試樣,經(jīng)體積分數(shù) ４％硝酸酒精溶液腐蝕后,在 XJPＧ３A 型光學顯微鏡 下觀察其顯微組織.采用苦味酸水溶液腐蝕花鍵試 樣后,測其硬化層中奧氏體晶粒的大小. 

采用 MF７００型顯微硬度儀測花鍵與桿部的維氏 硬度,載荷為４．９N,保載時間為１５s.依據(jù) GB/T ２２５－２００６«鋼淬透性的末端淬火試驗方法»進行端淬試驗,試樣用于試驗部分的尺寸為?２５mm×９７mm, 端部 凸 臺 尺 寸 為 ?３２ mm×３ mm,加 熱 溫 度 為 ８６０ ℃,保溫時間為３０min,冷卻水溫為２０ ℃.在 花鍵與桿部的過渡區(qū) １/４ 直徑處取拉伸與沖擊試 樣.拉伸試樣的標距為４０mm,直徑為８mm,按照 GB/T ２２８ － ２００２ «室 溫 拉 伸 試 驗 方 法 »,在 CMT５１０５型微機控制電子萬能試驗機上進行室溫拉 伸試驗,拉伸速度２mm·min－１.沖擊試樣為夏比 U 型缺口 沖 擊 試 樣,試 樣 尺 寸 為 １０ mm×１０ mm× ５５mm,按照 GB/T２２９－２００７«金屬夏比 U 型缺口沖擊試驗方法»,在JBWＧ３００H 型屏顯沖擊試驗機 上進行室溫沖擊試驗.

采用JBＧ６C型粗糙度輪廓儀測花鍵齒根過渡 圓角半徑.采用 LXRD 型 Proto殘余應力 分 析 儀 測半軸 桿 部 經(jīng) 過 表 面 感 應 淬 火 后 的 表 面 殘 余 應 力.按照 QC/T２９３－１９９９«汽車半軸臺架試驗方 法»和 QC/T２９４－１９９９«汽車半軸技術條件要求» 進行靜扭和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗.在 PNWＧ１０型電液伺 服扭轉(zhuǎn)疲勞 試 驗 機 上 進 行 扭 轉(zhuǎn) 疲 勞 試 驗,采 用 單 向交變非 對 稱 循 環(huán) 載 荷,為 頻 率 ３ Hz的 正 弦 波, 試樣為鍛 后 風 冷 并 經(jīng) 感 應 淬 火、回 火 的 ３８MnVS 非調(diào)質(zhì)鋼半軸和４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸;在 NDWＧ１０ 型微機控制汽車傳動軸扭轉(zhuǎn)試驗機上進行靜扭試 驗,以６ (°)·min－１ 的 速 率 加 載 至 半 軸 破 壞,試 樣 為鍛后風 冷 并 經(jīng) 感 應 淬 火、回火的３８MnVS非 調(diào) 質(zhì)鋼半軸. 

２ 試驗結(jié)果與討論 

２．１ 淬透性 

由圖２可知:３８MnVS鋼和４２CrMo鋼獲得半 馬氏 體 的 臨 界 淬 透 直 徑 分 別 為 ４３,７５ mm. ３８MnVS鋼中的錳、硅等元素可以提高其淬透性; ４２CrMo鋼的含碳量更高,且含有鉻、鉬等可強烈提 高其淬透性的元素,因此其淬透性和淬硬性更好. 兩種鋼經(jīng)淬火后,心部均可 獲 得 ５０％ 以 上 的 馬 氏 體,因此滿足可以調(diào)節(jié)有效硬化層深度的要求.

 ２．２ 顯微組織 

由表２和圖３可知:半軸桿部是未經(jīng)加熱及鍛 造的原材料狀態(tài),組織為塊狀鐵素體＋珠光體,原材 料采用穿水冷卻,且變形量大、終軋溫度低,晶粒較 細;花鍵處為熱鍛態(tài)成型,３８MnVS鋼含釩元素,控 鍛控冷后可析出細小彌散的 V(C,N)粒子,起到細 晶強化和鐵素體析出強化的作用,花鍵鍛后經(jīng)風冷 和空冷的組織皆為斷續(xù)網(wǎng)狀先共析鐵素體＋珠光體,花鍵處的鍛造溫度較高,變形量較小,晶粒較粗 大,鐵素體含量減少,珠光體含量較多,與鍛后空冷 相比,鍛后風冷至６００℃后空冷的工藝縮短了終鍛 至相變的時間,奧氏體晶粒不易長大,同時過冷奧氏 體中先共析鐵素體的析出被抑制,沿晶界析出的鐵 素體更加細薄,在６００ ℃后空冷可以防止貝氏體的 產(chǎn)生,未相變的過冷奧氏體有充分的時間進行珠光 體轉(zhuǎn)變,最終得到的珠光體尺寸和珠光體片層間距 更小[７Ｇ９];４２CrMo鋼調(diào)質(zhì)態(tài)半軸心部組織中出現(xiàn)較 多的貝氏體組織. 

由圖４可知:經(jīng)表面感應淬火＋回火處理后, ３８MnVS鋼半軸表面組織為細小的回火馬氏體,晶 粒度約為４級,回火馬氏體使表層具有更高的強度、 硬度和耐磨性,同時由于馬氏體的比容較大,表面感 應淬火后在硬化層上形成較大的殘余壓應力,可提高 半軸的疲勞壽命;當采用相同感應淬火工藝時,由于 ３８MnVS鋼中含有的 V(C,N)粒子對硬化層奧氏體 晶粒的 細 化 作 用 明 顯,因 此 晶 粒 尺 寸 大 多 為 ８~ １３μm,而４２CrMo鋼的晶粒尺寸大多大于１８μm. 晶粒越細小,晶界面積越大,裂紋在組織內(nèi)的擴展需 不斷地改變方向,阻力更大,因此可以提高半軸的疲 勞壽命[１０]. 

２．３ 力學性能 

由表３ 可 知:３８MnVS鋼 半 軸 的 硬 度 為 ２６０~ ２８２HV,滿足 QC/T２９４－１９９９中的要求;與桿部相 比,經(jīng)熱鍛后３８MnVS鋼半軸的抗拉強度和屈服強強度均增大,而伸長率和斷面收縮率均減小,這是 由于熱鍛后 鋼 中 的 珠 光 體 含 量 增 多,析 出 強 化 效 果增強;風冷后半軸的硬度比空冷后半軸的高,兩 者的強度和 塑 性 相 當,而 風 冷 后 半 軸 的 沖 擊 韌 性 有較明顯的 提 高,這 是 由 于 風 冷 后 半 軸 的 晶 粒 和 珠光體片層間距均更小,沿晶鐵素體更加細薄、碎 小,薄片的滲碳體具有較好的韌性和塑性,同時細 小的鐵素體 可 以 細 化 組 織,因 此 改 善 了 鐵 素 體 ＋ 珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼的韌性[１１].

另外,硫與錳形成的 MnS夾雜不僅能作為鐵素 體形核核心,促進晶內(nèi)鐵素體的析出,細化晶粒,而 且能起到斷屑的作用,從而改善其加工性能[１２Ｇ１３].

２．４ 靜扭強度及扭轉(zhuǎn)疲勞強度 

２．４．１ 靜扭強度 

QC/T２９４－１９９９«汽車半軸技術條件»中要求 靜扭強度失效后備系數(shù) K 大于１．８,靜扭強度失效 后備系數(shù)的計算公式為 

式中:M 為 試 驗 扭 矩;Mj 為 半 軸 的 計 算 扭 矩,為 ３７６６．７７N·m. 

由表４可以看出:所有半軸的靜扭強度失效后備系數(shù)均大于標準要求的１．８,半軸的靜扭強度均 合格;具有較小花鍵模數(shù)半軸的靜扭強度更高,斷裂 位置轉(zhuǎn)移至桿部. 

２．４．２ 扭轉(zhuǎn)疲勞強度 

經(jīng)測試,３８MnVS鋼半軸表面經(jīng)感應淬火、回 火后,其表面硬度大幅度升高,可達６４０HV,馬氏 體 轉(zhuǎn) 變 所 形 成 的 環(huán) 向 和 軸 向 殘 余 應 力 約 為 －５２０ MPa,可抵消部分工作 應 力,抑 制 裂 紋 的 萌 發(fā)和擴展,可大幅度提高半軸的疲勞壽命.

表５為３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸及４２CrMo調(diào) 質(zhì)鋼半軸疲勞壽命結(jié)果,表中序號 A 為３８MnVS非 調(diào)質(zhì)鋼半軸,序號B為４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸.由表可 知:花鍵模數(shù)為１．７８mm 半軸的斷裂位置均在花鍵部 位;A１,A２,B１半軸的硬化層深度均為０．５５ mm 左 右;當采用大扭矩４７２~５１９２N·m 進行試驗時, 兩種鋼半軸的疲勞壽命均較低,花鍵齒根過渡圓角 半徑為０．３mm 的３８MnVS非調(diào)質(zhì)半軸的疲勞壽命 只有２．６萬次,花鍵齒根過渡圓角半徑增大到０．５~ ０．６０mm后,其疲勞壽命可提高到１６萬次,高于相同條件下４２CrMo半軸的５．５５萬次;當扭矩降低至 ３７７~４１４３N·m時,A３,A４,A５,A８ 半 軸 的 硬 化 層深度基本相同,花鍵齒根過渡圓角半徑增大后,半 軸的疲勞壽命均有不同程度的提高;硬化層深度對 半軸的疲勞壽命也有顯著的影響,A７,A８,A５,A６ 半軸的硬化層深度依次為３．３,４．４,４．７,５．５mm,對 應的疲勞壽命分別為８．９４,１５．５３,２３．５,２３．０１萬次, 整體呈升高的趨勢;雖然 A５,A６半軸的花鍵齒根過 渡圓角半徑小于 A７,A８半軸的,但其疲勞壽命依達 到較高的水平;A９半軸具有較大的花鍵齒根過渡圓 角半徑和硬化層深度,其疲勞壽命可達２９．６萬次, 而相同狀態(tài)下４２CrMo鋼半軸的只有７萬次;當花 鍵模數(shù)為１．２５mm 時,半軸的疲勞斷裂位置出現(xiàn)在 桿部和花鍵處,這表明花鍵處的應力集中減小,同時 ３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼半軸的疲勞壽命均大于３０萬次, 當扭矩增加到４８７~５３５８N·m 時,其疲勞壽命最 低也達到３５萬次,滿足 QC/T２９４－１９９９«汽車半 軸技術條件要求»中不小于３０萬次的要求. 

影響半軸疲勞壽命的因素包括材料特性、零件 狀態(tài)、工作條件等.零件狀態(tài)包括花鍵模數(shù)、齒根過渡圓角半徑、硬化層深度等,均對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大 的影響.當施加扭轉(zhuǎn)載荷時,桿部圓棒所受的切應 力自表面至心部呈線性分布,當加工成花鍵形狀時, 花鍵齒根部位容易產(chǎn)生應力集中,是半軸的薄弱點, 因此增加齒根過渡圓角半徑可減小應力集中,提高 半軸的疲勞壽命,但齒根過渡圓角半徑大于０．６mm 后將會影響花鍵與傘形齒的傳動配合.減小花鍵模 數(shù)也可提高半軸的疲勞壽命,這是由于花鍵模數(shù)與 半軸齒數(shù)成反比關系,花鍵模數(shù)越小,半軸齒數(shù)越 多,每個齒所承受的彎曲應力越小,裂紋越不易萌 發(fā),因此疲勞壽命越高;花鍵模數(shù)為１．２５mm 的非 調(diào)質(zhì)半軸采用常規(guī)工藝即可獲得較高的疲勞壽命, 可靠性較高.有效淬硬層深度是扭轉(zhuǎn)強度的保證, 有效淬硬層的寬化相當于將交界處薄弱的拉應力區(qū) 從表面高應力區(qū)移向中心方向的低應力區(qū),使得任 一點的扭轉(zhuǎn)應力均小于扭轉(zhuǎn)屈服應力,但是硬化層 過深反而會引起表面壓應力降低,由試驗結(jié)果可以 得出,半軸的最佳硬化層深度為５~７．５mm.

３ 結(jié) 論 

(１)３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼熱鍛后半軸花鍵組織為 斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體＋珠光體,晶粒度為５．５~７．５級, 通過熱鍛后風冷可減小鐵素體尺寸和珠光體片層間距,沖擊韌性可由空冷后的１６．８４J提高到風冷后的 ４３．７４J. 

(２)３８MnVS非調(diào)質(zhì)鋼具有良好的淬透性,其半 軸感應淬火層晶粒比４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸的更細. 

(３)３８MnVS 非調(diào)質(zhì) 鋼 半 軸 疲 勞 壽 命 可 達 到 ４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸的水平;減小花鍵模數(shù)、增大花 鍵齒根過渡圓角半徑以及適當?shù)脑黾佑不瘜由疃染? 可提高半軸的疲勞壽命,其中最佳的硬化層深度為 ５~７．５mm;花鍵模數(shù)為１．２５mm 的３８MnVS非調(diào) 質(zhì)鋼半軸的疲勞壽命大于３０萬次,可靠性較高,因 此完全可以代替４２CrMo調(diào)質(zhì)鋼半軸.

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 機械工程材料 > 41卷 > 11期 (pp:53-58)>