趙 富, 劉國強, 王小海
(內蒙古第一機械集團股份有限公司, 內蒙古包頭 014032)
隨著車輛的發展,整車的綜合性能整體提升,因此對彈性軸的性能要求也越來越高。 目前車輛使用的彈性軸材料為有42CrMo、50CrVE、51CrV4、45CrNiMoVA 等[1],其疲勞壽命已不能滿足新型車輛的使用要求。 彈性軸是車輛扭桿裝置中重要的組成部分, 在使用過程中會受到彎矩、扭矩和剪切力作用[2],因此對材料的力學性能要求較高,而材料的力學性能除了與原材料本身的性能有關外,還與熱處理工藝后的組織對性能的關系很大, 因此研究不同熱處理工藝對彈性軸材料組織與性能的影響很有必要[3]。 為此開展了新型彈性軸用鋼應用研究,新材料彈性軸用鋼采用了超高純凈冶煉技術和合理的成分設計,在保持材料強度的同時,提高了材料的韌性,并經熱處理工藝的優化組合,從而使彈性軸的疲勞強度及使用壽命得以提高,以滿足新型車輛的彈性軸使用要求。
中碳鋼經低溫回火時,鋼的強度較高,但韌性和屈強比較低。 為提高韌性和屈強比,本項目研究過程中,設計了能在300℃回火而強度仍滿足技術指標要求的新型彈性軸用鋼(代號N1)。 表1 為經電渣重熔冶煉后材料的化學成分,其中還列出了對比用的45CrNiMoVA 鋼的化學成分。 可見,N1 鋼的潔凈度明顯優于原彈性軸用鋼45CrNiMoVA。 特別值得一提的是,由于N1 鋼中氧含量的大幅度降低,將會改善彈性軸的疲勞性能。
表1 兩種彈性軸用鋼的化學成分(wt%)
N1 鋼經淬火、300℃低溫回火后,組織為回火馬氏體,如圖1 所示。 當回火溫度低于350℃時,在光學顯微鏡下觀察,馬氏體組織沒有明顯變化。 在掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)下觀察,隨回火溫度的升高,碳化物明顯析出,圖1(b);透射電鏡觀察發現,隨回火溫度的升高,鋼中位錯密度下降。
圖1 試驗鋼N1 經300℃回火后的組織形貌:(a)金相和(b)TEM
圖2 為N1 鋼經860℃、880℃和900℃奧氏體化后淬火、并經不同溫度回火后的抗拉強度和屈服強度。 可以看出,隨回火溫度的升高,抗拉強度變化不明顯,而屈服強度有一定程度的增加,因此屈強比升高。 屈服強度的增加主要是因為碳化物析出引起,而抗拉強度的下降則可能是由于馬氏體中固溶的C 含量下降和位錯密度下降所致。 此外,在860~900℃之間,淬火溫度對強度的影響不大。
圖2 試驗鋼N1 的(a)抗拉強度和(b)屈服強度隨回火溫度的變化
表2 為N1 鋼在880℃淬火、200~350℃低溫回火時的力學性能, 從表中可看出, 綜合性能較好的是在275~325℃范圍內, 因此選定的熱處理工藝為:880℃±10℃淬火、300℃±10℃回火。
表2 不同回火溫度的力學性能試驗結果
表3 和表4 為N1 鋼和45CrNiMoVA 鋼的力學性能,其中45CrNiMoVA 鋼經淬火、180℃回火處理,N1 鋼經淬火、300℃回火處理。 從表3 中可以看出,兩種鋼的抗拉強度都在2000MPa 以上, 盡管45CrNiMoVA 鋼的抗拉強度稍高,但其屈服強度比N1 鋼低200MPa 以上,結果導致其屈強比只有0.74,而N1 鋼的屈強比達到0.89。 同其它彈簧鋼一樣,彈性軸用鋼也要求有高的屈強比,因此,從屈強比角度來看,N1 鋼更加適合于做彈性軸用鋼。 此外,從表4 的結果中還可以看出,N1 鋼的沖擊韌性和斷裂韌性也優于45CrNiMoVA 鋼。 經300℃回火后,N1 鋼的硬度在HRC54 以上,抗拉強度在2000MPa 以上,屈服強度在1800MPa 以上。
表3 兩種彈性軸用鋼的拉伸力學性能
表4 兩種彈性軸用鋼的硬度和韌性
扭轉試驗所測定的扭轉強度, 是彈性軸設計應用中必不可少的。試驗中為了對N1 鋼和45CrNiMoVA 鋼扭轉強度進行比較,將N1 鋼和對比鋼45CrNiMoVA 同時加工成扭桿試樣(L0=50mm,Lc=70mm,d0=10mm),熱處理工藝見表5, 處理后進行精加工。 扭轉試驗按照GB10128—1988 標準在室溫進行,試驗結果如表5 所示。
表5 兩種彈性軸用鋼的扭轉強度
彈性軸在使用過程中可能會受到來自環境中氫的影響, 那么其抗氫致延遲斷裂性能在應用研究中就非常重要了。為此將N1 鋼經熱處理后加工成圖3 所示氫致延遲斷裂試樣, 并經電化學方法充氫后進行慢應變速率拉伸試驗, 通過氫導致缺口拉伸強度的下降程度來表征其氫致延遲斷裂敏感性。 試驗時拉伸速度為0.005mm/min。 試驗結果如圖4 和圖5所示, 可見N1 鋼斷口無沿晶斷裂, 缺口拉伸強度下降不大,說明其抗氫致延遲斷裂性能優良。
圖3 氫致延遲斷裂試樣尺寸及實物照片
圖4 N1 鋼缺口慢拉伸試樣充氫后斷口SEM 形貌(與未充氫試樣無明顯差別)
圖5 不同充氫條件下N1 鋼的缺口拉伸強度(應力集中系數Kt=3.9)
新型彈性軸用N1 鋼,經力學性能、扭轉強度試驗、抗氫致延遲斷裂性能等性能測試,效果較好。為了進一步的推廣應用,將其按相應產品圖號規格制成彈性軸,進行實物疲勞臺架試驗。 其中包括耐久壽命試驗(扭轉次數:≥45000次)和破壞性試驗(扭轉次數:扭斷為止)。
臺架試驗結果表明: N1 鋼制造的彈性軸,在動扭角為70°(扭轉角12.5°~83.0°)時,進行耐久性試驗其扭轉次數均大于45000 次,最大殘余變形角為2.11°。 在動扭角為 79°(扭轉角8.1°~87.0°) 時, 進行破壞性試驗扭轉至84225 次破斷,見表6。
表6 臺架試驗數據
對破壞性疲勞試驗完畢的彈性軸進行了分析。 彈性軸的斷口宏觀形貌如圖6 所示,SEM 微觀形貌如圖7 所示。分析發現,斷口形貌正常,韌性較好。斷口起裂處存在氧化物、硫化物等夾雜物。
圖6 N1 鋼彈性軸疲勞斷口宏觀形貌
圖7 N1 鋼彈性軸疲勞斷口SEM 微觀形貌
在破斷的彈性軸上取樣, 進行斷口掃描電鏡分析認為其屬韌性斷口。
從化學成分分析中可看出:N1 鋼的潔凈度明顯優于原彈性軸用鋼45CrNiMoVA。 特別值得一提的是,由于N1 鋼中氧含量的大幅度降低,會起到改善彈性軸的疲勞性能的作用。
在275~325℃范圍內回火后顯示, N1 鋼力學性能較好。屈服強度隨回火溫度的升高而升高,因此屈強比升高,抗拉強度沒有明顯變化。 從試驗結果也可看出,45CrNi-MoVA 鋼的抗拉強度為2180MPa、 N1 鋼的抗拉強度為2060MPa,兩種鋼的抗拉強度都在2000MPa 以上,均屬于高強度系列。 盡管45CrNiMoVA 鋼的抗拉強度稍高,但其屈服強度比N1 鋼低200MPa 以上,結果導致其屈強比只有0.74,而N1 鋼的屈強比達到0.89。 扭轉強度試驗中也得出同樣的結論, 在同等試驗條件下45CrNiMoVA 鋼扭轉強度為1858 MPa,N1 鋼為1706 MPa;而屈服疲勞扭轉強度45CrNiMoVA 鋼為877MPa;N1 鋼為1004MPa;此外,N1 鋼的沖擊韌性和斷裂韌性也優于45CrNiMoVA 鋼。
抗氫致延遲斷裂性能表明, 在不同充氫條件下,N1鋼對氫導致的缺口拉伸強度的下降程度無明顯變化,表征其氫致延遲斷裂敏感性差。并且斷口無沿晶斷裂,缺口拉伸強度下降不大,說明其抗氫致延遲斷裂性能優良,這一性能對彈性軸在污染較嚴重的工作環境下服役是很關鍵的。
臺架試驗結果顯示N1 鋼制造的彈性軸, 其耐久性試驗達到45000 次仍然完好無損, 破壞性試驗到84225次時破斷。 在破壞性疲勞試驗后的彈性軸上取樣分析發現,斷口形貌屬正常韌性斷口,充分顯示了此鋼具有較好韌性。
新鋼種N1 鋼由于采用溫度略高點的低溫回火,其強韌性配合合理, 屈服強度及屈強比均高于45CrNiMoVA鋼;從試樣的扭轉強度試驗得出, N1 鋼的屈服扭轉強度遠遠高于45CrNiMoVA 鋼,這一指標的高、低對彈性軸服役狀態的好、壞是非常重要的;新型彈性軸用鋼N1 鋼可代替原45CrNiMoVA 鋼使車輛獲得更好的行駛性能。