傳動(dòng)軸用高強(qiáng)鋼的組織和力學(xué)性能分析

段利利

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132000)

傳動(dòng)軸用高強(qiáng)鋼的組織和力學(xué)性能分析

段利利

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132000)

摘要：采用低碳微合金化、控軋控冷技術(shù)相結(jié)合，試制了兩種強(qiáng)度級(jí)別的汽車(chē)傳動(dòng)軸軸管用高強(qiáng)鋼。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼CCT、TTT曲線(xiàn)的模擬及其CCT曲線(xiàn)的實(shí)測(cè)分析了高強(qiáng)鋼的組織構(gòu)成；通過(guò)激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡重點(diǎn)分析了高強(qiáng)鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)；并對(duì)高強(qiáng)鋼力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)論表明：兩種鋼顯微組織均由細(xì)小的近等軸狀的鐵素體構(gòu)成；兩種鋼的屈服強(qiáng)度分別達(dá)到600 MPa級(jí)(C：0.062wt.%，Ti：0.07wt.%，Nb：0.017wt.%)和700MPa級(jí)(C：0.043wt.%，Ti0.08wt.%，Nb：0.057wt.%)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)軸管；輕量化；高強(qiáng)度低合金鋼；微合金化

中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是持續(xù)發(fā)展的行業(yè)，近兩年卡車(chē)的銷(xiāo)售量呈下滑態(tài)勢(shì)，這使得卡車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，提高主要部件的壽命、降低成本才能提高行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)能源短缺和日益惡化的環(huán)境狀況對(duì)卡車(chē)行業(yè)的輕量化提出更高的要求[1-3]。這樣降低油耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)型、減少排放的根本就是實(shí)現(xiàn)輕量化，尤其是當(dāng)前新能源汽車(chē)技術(shù)剛剛發(fā)展、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升空間逐漸縮小的背景下，汽車(chē)輕量化成為了傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)降低成本、節(jié)能、減排的主要方法。我國(guó)汽車(chē)輕量化進(jìn)程通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用手段在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架、外覆蓋件、高強(qiáng)度鋼車(chē)身、懸掛件等方面取得了顯著成效。但是，在高強(qiáng)度、輕量化卡車(chē)傳動(dòng)軸部件的研制開(kāi)發(fā)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)并未沒(méi)有引起足夠重視，目前已經(jīng)成為整車(chē)輕量化發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[4]。

為了滿(mǎn)足一汽集團(tuán)卡車(chē)及J5P、J5M和J6系列車(chē)型傳動(dòng)軸對(duì)高強(qiáng)度、低成本和輕量化的進(jìn)一步要求，為汽車(chē)傳動(dòng)軸軸管材料的革新提供理論依據(jù)。我們按照一汽集團(tuán)和上海寶鋼集團(tuán)的要求，采用微合金化、控軋控冷技術(shù)研發(fā)了兩種高強(qiáng)度級(jí)別的傳動(dòng)軸軸管用鋼，引入原汽車(chē)傳動(dòng)軸軸管用鋼與試制的兩種軸管用鋼進(jìn)行對(duì)比分析；并通過(guò)提高力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)傳動(dòng)軸軸管減薄的目的。目前本次研究所制成的高強(qiáng)鋼已經(jīng)在Φ89×5 mm(9噸系列J3K等)、Φ120×6 mm規(guī)格的傳動(dòng)軸總成上得到應(yīng)用。

1試驗(yàn)材料及方法

本次實(shí)驗(yàn)所用材料均取自制造商處的傳動(dòng)軸軸管實(shí)體。為便于說(shuō)明，將原汽車(chē)軸管用鋼命名為1#鋼，試制的汽車(chē)軸管用鋼分別命名為2#鋼和3#鋼。三種鋼的化學(xué)成分如表1所示，2#鋼、3#鋼采用低碳、微合金的成分設(shè)計(jì)方法制成，與1#鋼相比試制的兩種高強(qiáng)鋼碳含量較低，2#鋼鈦含量比1#鋼高，3#鋼比2#鋼的鈮含量高。

將原材料按要求成分配比，在氧化轉(zhuǎn)爐中冶煉，出鋼后鋼水經(jīng)爐后精煉、連鑄成厚度250 mm的板坯，板坯經(jīng)步進(jìn)式加熱爐中保溫，軋制工藝參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)通過(guò)在奧氏體再結(jié)晶區(qū)粗軋時(shí)進(jìn)行多道次大變形量軋制，保證大的壓下率，使奧氏體晶粒充分破碎，同時(shí)保證粗軋的結(jié)束溫度處于完全再結(jié)晶區(qū)，以避免產(chǎn)生混晶組織。在950 ℃以下非再結(jié)晶溫度區(qū)進(jìn)行連續(xù)精軋，并增加精軋壓下率，使奧氏體晶粒充分壓扁，在晶粒內(nèi)部形成滑移帶，為鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)提供更多的形核位置。

表1　三種鋼的化學(xué)成分　(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2　試驗(yàn)用鋼的軋制工藝參數(shù)

用JMatPro軟件計(jì)算了兩種試驗(yàn)鋼的CCT曲線(xiàn)和TTT曲線(xiàn)，對(duì)兩種高強(qiáng)鋼CCT曲線(xiàn)的實(shí)測(cè)在東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的最新熱力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)MMS-300。由于熱軋軸管板厚度僅有3.5，無(wú)法加工成棒狀樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，只能采用小尺寸拉伸試樣粘貼應(yīng)變片的方法測(cè)量標(biāo)注范圍內(nèi)的應(yīng)變變化，在溫度-膨脹量曲線(xiàn)上確定相變點(diǎn)。對(duì)不同冷卻速度的試樣分別進(jìn)行測(cè)試，以此在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上來(lái)描繪靜態(tài)CCT曲線(xiàn)。

將線(xiàn)切割切下的金相試樣的表面用400#-1600#金相砂紙打磨至平面后用XQ-2BS型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌，鑲嵌后在拋光機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光直至試樣表面無(wú)劃痕，腐蝕后用清水沖洗干凈，再用無(wú)水酒精沖洗，將樣品用無(wú)水酒精浸泡并用超聲波震蕩儀震蕩清洗樣品，5 min后取出樣品。將金相試樣在LEXT-OLS3000激光共聚焦顯微鏡下觀察有代表性的組織，采用日本D/max 250 0PC x射線(xiàn)衍射儀分析對(duì)金相樣品進(jìn)行物相分析。測(cè)試時(shí)采用Cu(Kα)輻射，掃描速度采用1°/min，掃描范圍為2θ= 20°~ 120°。拉伸試驗(yàn)MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在單向靜拉伸條件下將拉伸試樣拉至斷裂，拉伸速度為0.5 mm/min。高強(qiáng)鋼拉伸試樣尺寸，如圖1所示。

圖1　高強(qiáng)鋼拉伸試樣尺寸

2結(jié)果與分析

薄板坯連鑄連軋技術(shù)是一個(gè)通過(guò)在熱軋過(guò)程中控制奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程、提高位錯(cuò)密度、改變晶粒形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)板材性能的提高和成型的技術(shù)。通過(guò)控軋控冷、低碳、微合金的辦法控制奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程，使軋制后的材料組織細(xì)化并具有更好的力學(xué)性能。為便于說(shuō)明，下文所述的1#、2#、3#分別為表2中三種不同成分的高強(qiáng)鋼。

2.1　高強(qiáng)鋼模擬CCT、TTT曲線(xiàn)及實(shí)測(cè)CCT曲線(xiàn)的分析

利用JMatPro計(jì)算軟件分別計(jì)算了2#和3#高強(qiáng)鋼CCT和TTT曲線(xiàn)如圖2和圖3所示。由圖可以看出兩者的CCT、TTT曲線(xiàn)非常接近，這說(shuō)明兩種高強(qiáng)鋼可以采用同樣的控軋控冷工藝。此外，從這些曲線(xiàn)還可以看出，控軋控冷后得到的產(chǎn)物大部分均為鐵素體，如果在控軋后緩慢冷卻，則可以得到少量的珠光體組織[5]；如果在控軋后快速冷卻，則在轉(zhuǎn)變的后期有少量的貝氏體形成。鋼板的卷曲屬于等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程，這一過(guò)程的產(chǎn)物也主要是以鐵素體組織為主。等溫轉(zhuǎn)變的溫度較低時(shí)，才有少量的珠光體或者貝氏體組織出現(xiàn)。兩種高強(qiáng)鋼在本次軋制工藝條件下，幾乎沒(méi)有可能形成馬氏體。

圖2　計(jì)算獲得的CCT曲線(xiàn)

圖3　計(jì)算獲得的TTT曲線(xiàn)

圖4和圖5分別為兩種高強(qiáng)鋼實(shí)測(cè)的CCT曲線(xiàn)。通過(guò)與圖2中的CCT曲線(xiàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這兩組曲線(xiàn)雖然細(xì)節(jié)部分有微小的差異；但是，冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程的規(guī)律基本一致。在一般的熱軋生產(chǎn)條件下，經(jīng)過(guò)層流冷卻后，兩種鋼的顯微組織主要是由鐵素體構(gòu)成，貝氏體的含量極少。對(duì)比2#和3#兩種高強(qiáng)鋼的CCT曲線(xiàn)，無(wú)論是計(jì)算的曲線(xiàn)，還是實(shí)測(cè)的曲線(xiàn)，都可以看出3#鋼貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間要寬；也就是說(shuō)，在同樣的冷卻條件下，除了鐵素體之外，還更能容易獲得少量的貝氏體組織，這主要是由于其含有更多的微合金化元素(Nb、Ti)所致[6]。

圖4 2#鋼實(shí)測(cè)的CCT曲線(xiàn)圖5 3#鋼實(shí)測(cè)的CCT曲線(xiàn)

2.2 高強(qiáng)鋼的XRD物相分析

2#、3#高強(qiáng)鋼的XRD衍射圖譜，如圖6所示。XRD圖譜顯示，兩種高強(qiáng)鋼中全部為α鐵素體。高強(qiáng)鋼中微合金元素鈮、鈦含量均小于1wt.%，碳含量也較低，這使得微合金元素形成的第二相含量較少，XRD衍射分析很難檢測(cè)出第二相的存在。那么，對(duì)于高強(qiáng)鋼中的物相種類(lèi)還需進(jìn)一步的分析。

圖6　高強(qiáng)鋼的XRD分析

2.3　激光共聚焦顯微鏡下高強(qiáng)鋼的顯微組織分析

高強(qiáng)鋼的金相組織形貌如圖7所示，箭頭為軋制方向。本次實(shí)驗(yàn)的終軋溫度為875 ℃，與鐵素體轉(zhuǎn)變起始線(xiàn)非常接近；卷曲溫度為600 ℃，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)中鐵素體轉(zhuǎn)變起始線(xiàn)的最下方，這樣的軋制工藝設(shè)計(jì)有助于獲得細(xì)小的鐵素體組織。從圖7可以看到，三種高強(qiáng)鋼的晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，1#鋼、2#鋼的顯微組織為鐵素體，在2#鋼中，鐵素體晶界和晶粒內(nèi)部出現(xiàn)少量的細(xì)小的第二相顆粒。3#鋼的組織基本上由鐵素體和彌散分布的貝氏體組成，3#鋼的第二相顆粒集中在晶界處。通過(guò)三種鋼的晶粒大小的對(duì)比，3#鋼的組織更加細(xì)小，由于2#、3#鋼采用相同的軋制工藝，所以可以認(rèn)為微合金元素Nb的作用是3#鋼晶粒細(xì)化的主要原因[7]。

圖7　高強(qiáng)鋼的顯微組織(a)1#，(b)2#，(c)3#低倍，(d)3#高倍。RD為軋制方向

2.4　高強(qiáng)鋼的拉伸性能

屈服強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)鋼重要的性能指標(biāo)，當(dāng)材料受力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)材料就要發(fā)生形變，在實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)鋼的變形就意味著相應(yīng)材料的作廢[8]。通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到三種高強(qiáng)鋼的拉伸性能，如表3所示。

表3　三種高強(qiáng)鋼的拉伸性能

對(duì)比表3中三種高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度，2#、3#鋼的屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了600 MPa級(jí)和700 MPa級(jí)。強(qiáng)度與延伸率的普遍關(guān)系隨著強(qiáng)度的提高延伸率降低[9]。但是2#、3#鋼板的延伸率分別達(dá)到23%、21%，這說(shuō)明2#鋼、3#鋼在強(qiáng)度提高的同時(shí)并沒(méi)有以損失韌性為代價(jià)。從數(shù)據(jù)也可以看出，試制的兩種高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度基本和抗拉強(qiáng)度等值，說(shuō)明屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到最大化。在工業(yè)應(yīng)用上，屈服強(qiáng)度的最大化意味著鋼板能夠承擔(dān)更大的工作強(qiáng)度，變向達(dá)到了輕量化的目的[10-11]。同時(shí)也說(shuō)明本次試驗(yàn)，通過(guò)控制軋制溫度來(lái)控制鋼奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程的方法，已經(jīng)對(duì)材料本身潛質(zhì)開(kāi)發(fā)到了最大化。

3結(jié)論

(1)通過(guò)軟件模擬發(fā)現(xiàn)，兩種鋼可以采用相同的軋制工藝。通過(guò)CCT曲線(xiàn)和TTT曲線(xiàn)的分析確定合理的軋制工藝參數(shù)：終軋溫度875 ℃，卷曲溫度600 ℃。通過(guò)對(duì)鋼的顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，兩種高強(qiáng)鋼的顯微組織為鐵素體，700 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的鐵素體晶粒之間存在粒狀貝氏體，這樣的組織結(jié)構(gòu)可以很好地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

(2)600 MPa級(jí)、700MPa級(jí)高強(qiáng)鋼實(shí)測(cè)的屈服強(qiáng)度分別為685 MPa和774 MPa，與原汽車(chē)傳動(dòng)軸軸管用鋼的屈服強(qiáng)度相比分別提高了約200 MPa和300 MPa。600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的延伸率為23%，700 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的延伸率為21%，由于微合金元素鈮、鈦的添加，使得兩種試驗(yàn)用鋼在抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到提高的同時(shí)，仍然保持一定的韌性。

參考文獻(xiàn)

[1]胡心彬，李麟，吳曉春.鈮微合金化在特殊鋼中的應(yīng)用[J].金屬熱處理，2003，28(6)：5-10.

[2]黃杰，徐洲.V-Ti鋼熱變形奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為[J].材料科學(xué)與工藝，2006，14(5)：449-452.

[3]劉文華，何天明.高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用[J].汽車(chē)工藝與材料，2008(11)：49-51.

[4]王利，楊雄飛，陸匠心.汽車(chē)輕量化用高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展[J].鋼鐵，2006，41(9)：1-8.

[5]J ZHAO Zhi-hua，DU Lin-xiu，HU Yan-hui.et a1.Mechanical Properties of 400 MPa Ultra-Fine Steel [J].Materials for Mechanical Engineering，2004,28(10)：35-35.

[6]蘇世懷，孫維，汪開(kāi)忠.鈮微合金化技術(shù)在H型鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].微合金化技術(shù)，2001，1(1)：53-58.

[7]Senuma T.Present Status and future prospects for precipitation research in the steel industry[J].ISIJ Int 2002,1(1)：1-12.

[8]田村今男.王國(guó)棟，劉振宇，熊尚武譯.高強(qiáng)度低合金鋼的控制軋制與控制冷卻[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[9]高吉祥，薄板坯連鑄連軋超高強(qiáng)耐候鋼的組織性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[10] Mao X，Huo X，Sun X，et al.Strengthening mechanisms of a new 700MPa hot rolled Ti-microalloyed steel produced by compact strip production[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210(12)：1660-1666.

[11] 高亞麗.激光功率對(duì)鎂合金組織和性能的影響[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,33(3)：31-34.

The Analysis of the Microstructure and Mechanical Property of High Strength Steel used in Automobile Propeller Shaft

Duan Li-li

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132000)

Abstract：This paper adopts the low carbon microalloyed，control method combining the technology of controlled cooling，and try to make the two strength level of automobile transmission shaft axis work of identity.Through to the HSLA steels of CCTS，TTT curve of simulation and its CCT curve of the measured the HSLA steels of the organization；With a laser confocal microscope，scanning electron microscope，we focus on high strength steel microstructure structure analysis；And we have HSLA steels of mechanical properties were tested.Conclusion shows that the two kinds of steel microstructure is composed of tiny almost equiaxed ferrite；Two kinds of steel yield strength of 600 mpa grade (C：0.062wt.%，Ti：0.07wt.%，Nb：0.017wt.%) respectively and 700 MPa grade (c：0.043wt.%，Ti0.08wt.%，Nb：0.057wt.%)respectively.

Key words：Automobile axle tube；Lightweight；HSLA steels；Micro-alloying

中圖分類(lèi)號(hào)：TG1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2015)06-0086-05

作者簡(jiǎn)介：段利利(1987-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練中心助教，碩士，主要研究方向：金屬基復(fù)合材料.

收稿日期：2015-09-12