正火45钢的机械性能参数,38MnVS非调质钢汽车半轴的研制
正火45钢的机械性能参数,38MnVS非调质钢汽车半轴的研制试验用原材料为某钢厂生 产 的 42CrMo商 业 用钢和南钢生产的?32.5 mm 的38MnVS非调质 钢 其化学成分见表1.38MnVS非调质钢的生产 流程为:高炉 冶 炼 → 铁 液 预 处 理 → 电 炉 冶 炼 → 二 次精炼→连铸(铸坯规格320mm×480mm)→开 坯(规格为150 mm×150 mm)→轧钢(控 轧 钢 棒 ?32.5mm )→成品(控冷).1.1 试样制备非调质钢是在碳钢的基础上添加微量的钒、钛、 铌等合金元素 通过控锻控冷技术使碳氮化物弥散 析出而产生沉淀强化和细晶强化的一种钢[1G2].由 于简化了生产工艺 该钢具有节能、环保、成本低等 优点 并且加工出的零件具有精度高、尺寸效应小等 特点 同时可以避免长轴类零件的淬火变形、开裂等 问题 有利于提高产品的质量.因此 国内外汽车行 业的研究者正致力于把非调质钢应用于汽车锻件 中[3G4].半轴作为一种
摘 要:开发了38MnVS非调质钢汽车半轴 研究了热锻后冷却速率对38MnVS非调质钢半轴显微组织、力学性能的影响 并与42CrMo调质钢半轴进行了对比 讨论了半轴疲劳寿命的主要影响因素.结果表明:通过热锻后风冷可减小38MnVS非调质钢中铁素体尺寸和珠光体片层间距 冲击韧性由空冷后的 16.84J提高到风冷后的 43.74J;38MnVS 非调质钢具有良好的淬透性; 38MnVS非调质钢半轴的疲劳寿命可达到42CrMo调质钢半轴的水平 并且通过减小花键模数、增 大花键齿根过渡圆角半径以及适当地增加硬化层深度可将38MnVS非调质钢半轴的疲劳寿命提 高到30万次以上 可以代替42CrMo调质钢半轴.
关键词:半轴;非调质钢;淬透性;疲劳寿命;显微组织
中图分类号:U465.1 文献标志码:A 文章编号:1000G3738(2017)11G0053G06
0 引 言
非调质钢是在碳钢的基础上添加微量的钒、钛、 铌等合金元素 通过控锻控冷技术使碳氮化物弥散 析出而产生沉淀强化和细晶强化的一种钢[1G2].由 于简化了生产工艺 该钢具有节能、环保、成本低等 优点 并且加工出的零件具有精度高、尺寸效应小等 特点 同时可以避免长轴类零件的淬火变形、开裂等 问题 有利于提高产品的质量.因此 国内外汽车行 业的研究者正致力于把非调质钢应用于汽车锻件 中[3G4].半轴作为一种长轴类零件 是汽车的重要部 件 起到传递扭矩的作用 需要具有较高的强韧性和 良好的疲劳性能.传统汽车半轴材料通常采用中碳 钢或中碳合金钢 并通过调质处理来保证其性能[5G6].非调质钢汽车半轴的开发难度较大 特别是有关乘用 车非调质钢半轴的研制并不多见 这是由于半轴花键 及过渡区的锻造比较小 容易产生晶粒粗大的现象 从而能造成该处的强韧性降低 因此有必要对非调质 钢汽车半轴的生产工艺及性能进行研究.
为此 作者开发一种38MnVS非调质钢全浮式 汽 车 半 轴 来 代 替 原 42CrMo 调 质 钢 半 轴 对 38MnVS非调质钢半轴的显微组织和力学性能进 行了研究 并与42CrMo调质钢进行了对比 同时讨 论了影响汽车半轴疲劳寿命的因素.
1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验用原材料为某钢厂生 产 的 42CrMo商 业 用钢和南钢生产的?32.5 mm 的38MnVS非调质 钢 其化学成分见表1.38MnVS非调质钢的生产 流程为:高炉 冶 炼 → 铁 液 预 处 理 → 电 炉 冶 炼 → 二 次精炼→连铸(铸坯规格320mm×480mm)→开 坯(规格为150 mm×150 mm)→轧钢(控 轧 钢 棒 ?32.5mm )→成品(控冷).
试制半轴的形状及尺寸如图1所示 主要包括 法兰盘、杆部、花键3个部分 其中法兰盘和花键经 热锻成型.非调质钢半轴的生产工艺流程为:下料 →热锻+控冷(风冷、空冷)→机械加工→中频感应 淬火+回火→成品.热锻的加热温度为1200 ℃ 终锻温度约1070 ℃ 采用 ThermoGCalc热力学软 件 TCFE3数据库测得试验钢中钒的完全固溶温度 为1116 ℃ 因此所设加热温度可以保证钒的固溶 量以及析出强化效果 同时控制高温段的停留时间 以防组织粗化和力学性能下降.锻后冷却分为单件 风冷(冷却速率2.4~3 ℃·s-1)至600 ℃后空冷和 单件空冷(冷却速率1.6~1.8 ℃·s-1)两种工艺 比 较不同 冷 却 速 率 对 其 组 织 和 性 能 的 影 响. 采 用 BHVG1000.1×2.2GZ.SG 型立式中频感应淬火机床 进行连续感应加热淬火 机床功率为90~102kW 电流频率为8.8~9.6kHz 淬火加热温度为900℃ 感应线圈的移动速度为300~460mm·min-1 冷却 液为10~40℃的体积分数10%AQ251淬火液 通过 调节感应淬火的参数来控制硬化层深度.感应淬火 后在4h内进行200℃×2h回火.
1.2 试验方法
在半轴花键及杆部截取金相试样 经体积分数 4%硝酸酒精溶液腐蚀后 在 XJPG3A 型光学显微镜 下观察其显微组织.采用苦味酸水溶液腐蚀花键试 样后 测其硬化层中奥氏体晶粒的大小.
采用 MF700型显微硬度仪测花键与杆部的维氏 硬度 载荷为4.9N 保载时间为15s.依据 GB/T 225-2006«钢淬透性的末端淬火试验方法»进行端淬试验 试样用于试验部分的尺寸为?25mm×97mm 端部 凸 台 尺 寸 为 ?32 mm×3 mm 加 热 温 度 为 860 ℃ 保温时间为30min 冷却水温为20 ℃.在 花键与杆部的过渡区 1/4 直径处取拉伸与冲击试 样.拉伸试样的标距为40mm 直径为8mm 按照 GB/T 228 - 2002 «室 温 拉 伸 试 验 方 法 » 在 CMT5105型微机控制电子万能试验机上进行室温拉 伸试验 拉伸速度2mm·min-1.冲击试样为夏比 U 型缺口 冲 击 试 样 试 样 尺 寸 为 10 mm×10 mm× 55mm 按照 GB/T229-2007«金属夏比 U 型缺口冲击试验方法» 在JBWG300H 型屏显冲击试验机 上进行室温冲击试验.
采用JBG6C型粗糙度轮廓仪测花键齿根过渡 圆角半径.采用 LXRD 型 Proto残余应力 分 析 仪 测半轴 杆 部 经 过 表 面 感 应 淬 火 后 的 表 面 残 余 应 力.按照 QC/T293-1999«汽车半轴台架试验方 法»和 QC/T294-1999«汽车半轴技术条件要求» 进行静扭和扭转疲劳试验.在 PNWG10型电液伺 服扭转疲劳 试 验 机 上 进 行 扭 转 疲 劳 试 验 采 用 单 向交变非 对 称 循 环 载 荷 为 频 率 3 Hz的 正 弦 波 试样为锻 后 风 冷 并 经 感 应 淬 火、回 火 的 38MnVS 非调质钢半轴和42CrMo调质钢半轴;在 NDWG10 型微机控制汽车传动轴扭转试验机上进行静扭试 验 以6 (°)·min-1 的 速 率 加 载 至 半 轴 破 坏 试 样 为锻后风 冷 并 经 感 应 淬 火、回火的38MnVS非 调 质钢半轴.
2 试验结果与讨论
2.1 淬透性
由图2可知:38MnVS钢和42CrMo钢获得半 马氏 体 的 临 界 淬 透 直 径 分 别 为 43 75 mm. 38MnVS钢中的锰、硅等元素可以提高其淬透性; 42CrMo钢的含碳量更高 且含有铬、钼等可强烈提 高其淬透性的元素 因此其淬透性和淬硬性更好. 两种钢经淬火后 心部均可 获 得 50% 以 上 的 马 氏 体 因此满足可以调节有效硬化层深度的要求.
2.2 显微组织
由表2和图3可知:半轴杆部是未经加热及锻 造的原材料状态 组织为块状铁素体+珠光体 原材 料采用穿水冷却 且变形量大、终轧温度低 晶粒较 细;花键处为热锻态成型 38MnVS钢含钒元素 控 锻控冷后可析出细小弥散的 V(C N)粒子 起到细 晶强化和铁素体析出强化的作用 花键锻后经风冷 和空冷的组织皆为断续网状先共析铁素体+珠光体 花键处的锻造温度较高 变形量较小 晶粒较粗 大 铁素体含量减少 珠光体含量较多 与锻后空冷 相比 锻后风冷至600℃后空冷的工艺缩短了终锻 至相变的时间 奥氏体晶粒不易长大 同时过冷奥氏 体中先共析铁素体的析出被抑制 沿晶界析出的铁 素体更加细薄 在600 ℃后空冷可以防止贝氏体的 产生 未相变的过冷奥氏体有充分的时间进行珠光 体转变 最终得到的珠光体尺寸和珠光体片层间距 更小[7G9];42CrMo钢调质态半轴心部组织中出现较 多的贝氏体组织.
由图4可知:经表面感应淬火+回火处理后 38MnVS钢半轴表面组织为细小的回火马氏体 晶 粒度约为4级 回火马氏体使表层具有更高的强度、 硬度和耐磨性 同时由于马氏体的比容较大 表面感 应淬火后在硬化层上形成较大的残余压应力 可提高 半轴的疲劳寿命;当采用相同感应淬火工艺时 由于 38MnVS钢中含有的 V(C N)粒子对硬化层奥氏体 晶粒的 细 化 作 用 明 显 因 此 晶 粒 尺 寸 大 多 为 8~ 13μm 而42CrMo钢的晶粒尺寸大多大于18μm. 晶粒越细小 晶界面积越大 裂纹在组织内的扩展需 不断地改变方向 阻力更大 因此可以提高半轴的疲 劳寿命[10].
2.3 力学性能
由表3 可 知:38MnVS钢 半 轴 的 硬 度 为 260~ 282HV 满足 QC/T294-1999中的要求;与杆部相 比 经热锻后38MnVS钢半轴的抗拉强度和屈服强强度均增大 而伸长率和断面收缩率均减小 这是 由于热锻后 钢 中 的 珠 光 体 含 量 增 多 析 出 强 化 效 果增强;风冷后半轴的硬度比空冷后半轴的高 两 者的强度和 塑 性 相 当 而 风 冷 后 半 轴 的 冲 击 韧 性 有较明显的 提 高 这 是 由 于 风 冷 后 半 轴 的 晶 粒 和 珠光体片层间距均更小 沿晶铁素体更加细薄、碎 小 薄片的渗碳体具有较好的韧性和塑性 同时细 小的铁素体 可 以 细 化 组 织 因 此 改 善 了 铁 素 体 + 珠光体型非调质钢的韧性[11].
另外 硫与锰形成的 MnS夹杂不仅能作为铁素 体形核核心 促进晶内铁素体的析出 细化晶粒 而 且能起到断屑的作用 从而改善其加工性能[12G13].
2.4 静扭强度及扭转疲劳强度
2.4.1 静扭强度
QC/T294-1999«汽车半轴技术条件»中要求 静扭强度失效后备系数 K 大于1.8 静扭强度失效 后备系数的计算公式为
式中:M 为 试 验 扭 矩;Mj 为 半 轴 的 计 算 扭 矩 为 3766.77N·m.
由表4可以看出:所有半轴的静扭强度失效后备系数均大于标准要求的1.8 半轴的静扭强度均 合格;具有较小花键模数半轴的静扭强度更高 断裂 位置转移至杆部.
2.4.2 扭转疲劳强度
经测试 38MnVS钢半轴表面经感应淬火、回 火后 其表面硬度大幅度升高 可达640HV 马氏 体 转 变 所 形 成 的 环 向 和 轴 向 残 余 应 力 约 为 -520 MPa 可抵消部分工作 应 力 抑 制 裂 纹 的 萌 发和扩展 可大幅度提高半轴的疲劳寿命.
表5为38MnVS非调质钢半轴及42CrMo调 质钢半轴疲劳寿命结果 表中序号 A 为38MnVS非 调质钢半轴 序号B为42CrMo调质钢半轴.由表可 知:花键模数为1.78mm 半轴的断裂位置均在花键部 位;A1 A2 B1半轴的硬化层深度均为0.55 mm 左 右;当采用大扭矩472~5192N·m 进行试验时 两种钢半轴的疲劳寿命均较低 花键齿根过渡圆角 半径为0.3mm 的38MnVS非调质半轴的疲劳寿命 只有2.6万次 花键齿根过渡圆角半径增大到0.5~ 0.60mm后 其疲劳寿命可提高到16万次 高于相同条件下42CrMo半轴的5.55万次;当扭矩降低至 377~4143N·m时 A3 A4 A5 A8 半 轴 的 硬 化 层深度基本相同 花键齿根过渡圆角半径增大后 半 轴的疲劳寿命均有不同程度的提高;硬化层深度对 半轴的疲劳寿命也有显著的影响 A7 A8 A5 A6 半轴的硬化层深度依次为3.3 4.4 4.7 5.5mm 对 应的疲劳寿命分别为8.94 15.53 23.5 23.01万次 整体呈升高的趋势;虽然 A5 A6半轴的花键齿根过 渡圆角半径小于 A7 A8半轴的 但其疲劳寿命依达 到较高的水平;A9半轴具有较大的花键齿根过渡圆 角半径和硬化层深度 其疲劳寿命可达29.6万次 而相同状态下42CrMo钢半轴的只有7万次;当花 键模数为1.25mm 时 半轴的疲劳断裂位置出现在 杆部和花键处 这表明花键处的应力集中减小 同时 38MnVS非调质钢半轴的疲劳寿命均大于30万次 当扭矩增加到487~5358N·m 时 其疲劳寿命最 低也达到35万次 满足 QC/T294-1999«汽车半 轴技术条件要求»中不小于30万次的要求.
影响半轴疲劳寿命的因素包括材料特性、零件 状态、工作条件等.零件状态包括花键模数、齿根过渡圆角半径、硬化层深度等 均对试验结果产生较大 的影响.当施加扭转载荷时 杆部圆棒所受的切应 力自表面至心部呈线性分布 当加工成花键形状时 花键齿根部位容易产生应力集中 是半轴的薄弱点 因此增加齿根过渡圆角半径可减小应力集中 提高 半轴的疲劳寿命 但齿根过渡圆角半径大于0.6mm 后将会影响花键与伞形齿的传动配合.减小花键模 数也可提高半轴的疲劳寿命 这是由于花键模数与 半轴齿数成反比关系 花键模数越小 半轴齿数越 多 每个齿所承受的弯曲应力越小 裂纹越不易萌 发 因此疲劳寿命越高;花键模数为1.25mm 的非 调质半轴采用常规工艺即可获得较高的疲劳寿命 可靠性较高.有效淬硬层深度是扭转强度的保证 有效淬硬层的宽化相当于将交界处薄弱的拉应力区 从表面高应力区移向中心方向的低应力区 使得任 一点的扭转应力均小于扭转屈服应力 但是硬化层 过深反而会引起表面压应力降低 由试验结果可以 得出 半轴的最佳硬化层深度为5~7.5mm.
3 结 论
(1)38MnVS非调质钢热锻后半轴花键组织为 断续网状铁素体+珠光体 晶粒度为5.5~7.5级 通过热锻后风冷可减小铁素体尺寸和珠光体片层间距 冲击韧性可由空冷后的16.84J提高到风冷后的 43.74J.
(2)38MnVS非调质钢具有良好的淬透性 其半 轴感应淬火层晶粒比42CrMo调质钢半轴的更细.
(3)38MnVS 非调质 钢 半 轴 疲 劳 寿 命 可 达 到 42CrMo调质钢半轴的水平;减小花键模数、增大花 键齿根过渡圆角半径以及适当的增加硬化层深度均 可提高半轴的疲劳寿命 其中最佳的硬化层深度为 5~7.5mm;花键模数为1.25mm 的38MnVS非调 质钢半轴的疲劳寿命大于30万次 可靠性较高 因 此完全可以代替42CrMo调质钢半轴.
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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 机械工程材料 > 41卷 > 11期 (pp:53-58)>