微合金化高性能結(jié)構(gòu)鋼開(kāi)發(fā)及其在半掛車車橋上的應(yīng)用

黃利 馮毅, 黃光杰 高國(guó)璨 汪開(kāi)忠 李先鵬

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶大學(xué)，重慶 400044；3.安徽馬鋼和菱實(shí)業(yè)有限公司，馬鞍山 243000；4.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243011；5.江蘇常寶鋼管股份有限公司，常州 215217）

1 前言

21 世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)一直呈高速、穩(wěn)步發(fā)展趨勢(shì)，而近年來(lái)受國(guó)內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)及日益嚴(yán)峻的能源及環(huán)境壓力影響，使重型載貨車輛市場(chǎng)發(fā)展遭遇瓶頸，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)的激烈[1-3]。隨著國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域能源及環(huán)保相關(guān)法規(guī)政策的相繼出臺(tái)，對(duì)重型載貨汽車提出了更高的安全性及輕量化要求。對(duì)于國(guó)內(nèi)廣大重型載貨車輛及其配件生產(chǎn)廠商而言，從原材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面入手，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，在保證安全性條件下實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零件產(chǎn)品減重，是降低能耗及排放，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵舉措。

車橋是掛車承載和制動(dòng)的重要組成部分，車軸在車橋總成中占重要質(zhì)量百分比，車軸質(zhì)量對(duì)車橋總成服役性能至關(guān)重要[4-5]。在正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)確保其不會(huì)發(fā)生永久塑性變形，此外在足夠承載強(qiáng)度的前提下還應(yīng)具備較高的工藝性能（焊接性）和較高的尺寸精度，在實(shí)際服役環(huán)境下還應(yīng)具備優(yōu)異的抗疲勞及碰撞吸能能力。當(dāng)前隨著我國(guó)重型載貨車輛的高功率、高轉(zhuǎn)速、高承載、長(zhǎng)壽命和輕量化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)重型載貨車輛軸管提出了更高的綜合服役性能要求。車軸件的性能主要取決于原材料，傳統(tǒng)鋼種有LZ20Mn2、LZ27Mn2 等，其力學(xué)性能已難以滿足更高承載強(qiáng)度條件下對(duì)車軸件的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)需求，因此迫切需要開(kāi)發(fā)出具有更高強(qiáng)度及更為優(yōu)異韌塑性的車軸管制造用鋼。成分是決定零件強(qiáng)度及韌性的關(guān)鍵因素，近年來(lái)微合金化工業(yè)用鋼領(lǐng)域發(fā)展迅猛，通過(guò)在原有鋼材的基體中加入微合金化元素Nb、V、Ti等，借助這些元素在鋼中的固溶、偏聚和沉淀效應(yīng)，通過(guò)其與碳、氮的交互作用，產(chǎn)生晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化、再結(jié)晶控制及夾雜物改性等作用，在不顯著增加工藝難度及生產(chǎn)成本基礎(chǔ)上，全面提升鋼材的強(qiáng)韌性，滿足相關(guān)零件對(duì)承載及疲勞等綜合性能要求，并實(shí)現(xiàn)零件輕量化，已成為當(dāng)前及未來(lái)新一代高質(zhì)量工業(yè)用鋼的主流發(fā)展趨勢(shì)之一[6-8]。

基于上述背景，基于某車橋企業(yè)13 噸掛車車橋的輕量化和性能提升需求，在傳統(tǒng)掛車車橋用鋼LZ27Mn2 牌號(hào)基礎(chǔ)上通過(guò)微合金化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了性能更加優(yōu)異的鋼種。基于新開(kāi)發(fā)鋼種，成功開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的掛車車軸產(chǎn)品，并開(kāi)展了相應(yīng)的綜合服役性能（剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命）測(cè)評(píng)驗(yàn)證。

2 新鋼種開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)新鋼種的基礎(chǔ)鋼種為傳統(tǒng)的LZ27Mn2，在原鋼種相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)基礎(chǔ)上，提出新鋼種開(kāi)發(fā)的基本目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化相關(guān)鋼材成分元素，確保鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度及較高的延伸率（≥15%），基于此首先采用兩種技術(shù)路線，一是基于現(xiàn)有鋼種成分組成進(jìn)行局部調(diào)整；二是添加相應(yīng)的微合金元素增強(qiáng)材料強(qiáng)塑性，具體思路如下。

a.考慮到元素體系調(diào)整后帶來(lái)的強(qiáng)度提升導(dǎo)致的焊接性問(wèn)題，將C 元素含量從原0.29%水平做適當(dāng)降低，調(diào)整為0.27%。

b.基于一定含量范圍內(nèi)Si、Mn 元素變化對(duì)鋼材強(qiáng)塑性的影響規(guī)律，適當(dāng)提高Si、Mn 含量，增強(qiáng)固熔強(qiáng)化效果、并保證塑性。

c.在不改變現(xiàn)有成分體系基礎(chǔ)上，適當(dāng)提升Mn、Cr 含量，彌補(bǔ)C 含量降低帶來(lái)的淬透性降低影響（不能一味提高M(jìn)n 以提高淬透性，因?yàn)镸n 偏高影響鑄坯質(zhì)量，并不利于保證焊接性），并有利于提升鋼材綜合力學(xué)性能。

d.在改變現(xiàn)有成分體系基礎(chǔ)上，添加一定量的V、Nb 元素，同時(shí)利用二者的沉淀強(qiáng)化（碳氮化合物粒子析出）、細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，起到提升鋼材強(qiáng)塑性的良好作用。其中，針對(duì)V 元素，基于零件降低重量10%以上項(xiàng)目目標(biāo)考慮進(jìn)行粗略預(yù)估新材料屈服強(qiáng)度應(yīng)至少提升≥100 MPa，根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有參考數(shù)據(jù)表明每增加0.01%V 屈服強(qiáng)度可增加約10 MPa 左右，預(yù)估需要添加的V 元素含量約為0.05%~0.1%左右。針對(duì)Nb 元素，參照當(dāng)前國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，0.02%~0.05%Nb 被廣泛認(rèn)為是合理的成分值，起到細(xì)化晶粒提升韌性作用。此外為促進(jìn)V的析出強(qiáng)化效應(yīng)，考慮進(jìn)行增氮處理（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)同時(shí)考慮強(qiáng)化效應(yīng)與對(duì)連鑄質(zhì)量的影響兩方面），通過(guò)適當(dāng)增氮可降低V、Nb 含量，保證鋼材成本在合理的范圍。

基于上述分析，設(shè)計(jì)了多種可能的鋼材成分，應(yīng)用JMATPRO 材料性能分析軟件對(duì)不同成分對(duì)應(yīng)的材料在平衡狀態(tài)下的力學(xué)性能范圍進(jìn)行了大致的預(yù)估（圖1），在此基礎(chǔ)上確定了微合金成分方案，如表1 所示。

表1 新鋼種的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 新鋼種力學(xué)性能理論計(jì)算示例（JMATPRO）

在成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用“電爐冶煉→LF 爐+RH 爐精煉→連鑄→軋制”工藝流程，完成了指定規(guī)格（基于車橋產(chǎn)品需求而定）新鋼種的小批量量產(chǎn)制備，見(jiàn)圖2。

圖2 新開(kāi)發(fā)鋼種工業(yè)化量產(chǎn)過(guò)程示例

3 車軸用無(wú)縫鋼管坯料制備

在完成新鋼種工業(yè)化量產(chǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了車軸產(chǎn)品用無(wú)縫鋼管的制備工藝研究及樣件試制。管坯制備流程為：管坯切鋸→加熱→穿孔→軋管→（空冷卻至500 ℃入爐）→?；穑?10 ℃）→張減→切鋸→表面檢驗(yàn)→渦流探傷→梨花性能檢驗(yàn)→EMA 探傷→稱重→噴標(biāo)→打包入庫(kù)。具體管坯尺寸、外觀如表2 及圖3。

表2 管坯尺寸規(guī)格要求

圖3 新鋼種無(wú)縫鋼管試制過(guò)程及樣件外觀示例

對(duì)工業(yè)化量產(chǎn)條件下得到的新鋼種坯料及其無(wú)縫鋼管坯料進(jìn)行了組織性能檢測(cè)。首先，如圖4可以看出：低倍條件下的夾雜物數(shù)量極少，尺寸小，無(wú)聚集現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明冶金質(zhì)量良好；高倍腐蝕條件下基體為鐵素體+珠光體。管坯件的基體晶粒度≥10 級(jí)，這既是穿管熱軋過(guò)程中高溫和成形力雙重作用下基體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所導(dǎo)致的結(jié)果，又與添加的Nb 元素所形成碳化物第二相在高溫條件下（≤1 150 ℃）呈析出狀態(tài)，可阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而起到細(xì)化組織、提升組織均勻性有關(guān)。

圖4 新鋼種無(wú)縫鋼管基體組織特性示例

對(duì)新鋼種無(wú)縫鋼管坯料進(jìn)行了取樣準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和沖擊試驗(yàn)，通過(guò)Nb和V微合金化成分設(shè)計(jì)、結(jié)合合理的制備工藝實(shí)施，使得管坯獲得了更加細(xì)化的基體組織，從而有利于保證調(diào)質(zhì)前管坯具有良好強(qiáng)塑性，屈服強(qiáng)度≥480 MPa、抗拉強(qiáng)度≥700 MPa、延伸率≥30%。

4 新鋼種車軸件設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化

4.1 車軸輕量化設(shè)計(jì)

針對(duì)目標(biāo)車軸，基于制造性分析，考慮到外部裝配壓要求的局限性設(shè)定，對(duì)近軸肩非裝配部位進(jìn)行局部形貌調(diào)整，以滿足軸肩部位的壁厚需求。此外參照13 t 減重10%計(jì)，結(jié)合對(duì)原車軸管坯下料尺寸規(guī)格及質(zhì)量，加工過(guò)程及加機(jī)余量質(zhì)量等進(jìn)行計(jì)算分析，理論得出當(dāng)無(wú)縫管坯壁厚在約9.0～9.5 mm 范圍內(nèi)時(shí)，可滿足減重要求（原車軸管坯壁厚約為10.0～11.0 mm 范圍）。然而，考慮到車軸軸承裝配根部為疲勞敏感處，根據(jù)應(yīng)用方前期研究得出：在降低壁厚條件下必須保證該部位壁厚值（從根部部位中心點(diǎn)沿法線方向的壁厚）≥23 mm。按此要求進(jìn)行了原車軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，基于裝配約束及制造可行性分析，該車軸從軸頭部位至軸承部位段、軸身加載部位至中部等部位均為不可更改部位，因此僅可對(duì)圖5a 所示部位進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)調(diào)整，根據(jù)應(yīng)用方前期研究結(jié)果表明：該部位兩端的過(guò)渡尺寸設(shè)計(jì)將影響到軸承裝配處的壁厚變化，增大該部位的過(guò)渡尺寸梯度，將可能增加該部位壁厚。基于此，對(duì)該部位進(jìn)行了過(guò)渡尺寸調(diào)整（圖5b）。按照調(diào)整后結(jié)構(gòu)重新研制了匹配新結(jié)構(gòu)的軋輥，以滿足新結(jié)構(gòu)車軸件試制需求。

圖5 車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)上述目標(biāo)車軸局部結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行了模擬性驗(yàn)證，試制了壁厚約9.0～9.5 mm 的無(wú)縫管坯，取短樣在舊、新軋輥條件下進(jìn)行了目標(biāo)車軸模擬樣件試制（僅包括車軸端部），針對(duì)試制得到的2 種樣件，通過(guò)沿車軸縱向?qū)ΨQ剖切，檢測(cè)軸承部位處的壁厚值。結(jié)果如圖5c 可以看出在新結(jié)構(gòu)軋輥，9.0～9.5 mm 管壁條件下車軸軸肩部位壁厚均大于23.0 mm，且新結(jié)構(gòu)條件下軸承部位的壁厚值更高，從而初步驗(yàn)證了采用9.0～9.5 mm 壁厚、且對(duì)軸承部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整是具有一定合理性的。

4.2 車軸熱處理工藝優(yōu)化

針對(duì)新鋼材調(diào)質(zhì)處理的目標(biāo)在保持延伸率較高水平條件下，實(shí)現(xiàn)基體屈服強(qiáng)度的提升。研究過(guò)程如下：影響調(diào)質(zhì)效果的主要因素有淬火保溫溫度，淬火保溫時(shí)間，回火溫度，回火時(shí)間4 個(gè)參量。其中溫度為主要因素，時(shí)間為次要因素。對(duì)實(shí)際車軸零件熱處理工況進(jìn)行分析認(rèn)為：針對(duì)淬火保溫和回火時(shí)間而言由于實(shí)驗(yàn)室階段僅能針對(duì)小樣進(jìn)行研究，對(duì)于車軸而言，將其置于空間相對(duì)巨大的加熱爐空間內(nèi)加熱至指定溫度值并獲得組織性能方面的穩(wěn)定性應(yīng)需要更長(zhǎng)的時(shí)間因此針對(duì)時(shí)間值進(jìn)行研究得出的最佳時(shí)間點(diǎn)未必適用于車軸件，而滿足車軸件熱處理的時(shí)間值則必定滿足小樣，因此，設(shè)定淬火和回火時(shí)間均沿用目前車軸的實(shí)際熱處理參數(shù)值（淬火保溫時(shí)間為45 min，回火時(shí)間為2.5 h），僅考察淬火溫度和回火溫度變化即可。

首先，針對(duì)淬火溫度，參照原車軸熱處理參數(shù)，設(shè)定了870 ℃，890 ℃，910 ℃，930 ℃，950 ℃5個(gè)溫度點(diǎn)。每個(gè)溫度點(diǎn)下重復(fù)淬火樣品為3 件。為模擬實(shí)際熱處理工況，設(shè)定每件樣品到溫保時(shí)出爐后空冷45 s 后入水淬火。淬火后將樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)的A50 試樣進(jìn)行拉伸，并進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明：870 ℃淬火時(shí)樣品力學(xué)性能較低，隨著淬火溫度鑄件提高，強(qiáng)度提升，但溫度超過(guò)910 ℃后直至950 ℃力學(xué)性能基本不變，說(shuō)明此時(shí)淬火溫度對(duì)性能影響不大，考慮到溫度偏高后可能帶來(lái)的晶粒粗化及設(shè)備能力、能耗等因素，910～930 ℃為適宜淬火溫度范圍。

進(jìn)一步在設(shè)定最佳淬火溫度條件下（930 ℃保溫45 min 淬火）進(jìn)行回火工藝研究。參照原車軸件工藝參數(shù)，設(shè)定460 ℃，490 ℃，520 ℃，550 ℃，580 ℃，610 ℃及640 ℃，回火時(shí)間統(tǒng)一為2.5 h。每個(gè)溫度點(diǎn)下重復(fù)樣品為3 件。回火后將樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)的A50 試樣進(jìn)行拉伸，并進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明，隨著回火溫度提高，樣品的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度總體呈逐漸降低趨勢(shì)，但是降低幅度并不明顯，而斷后延伸率提高，分析認(rèn)為這主要是由于添加的V 在調(diào)質(zhì)回火過(guò)程中析出，起到沉淀強(qiáng)化，從而保持了材料的強(qiáng)度能夠在既定回火溫度范圍內(nèi)得到保持的原因。延伸率隨回火溫度升高逐漸提升，在約550～580 ℃范圍內(nèi)接近20%水平。

綜上所述，本項(xiàng)目新開(kāi)發(fā)鋼種無(wú)縫鋼管坯料在約淬火溫度910～930℃、淬火保溫時(shí)間45 min、回火溫度550～580 ℃、回火保溫時(shí)間2.5 min 調(diào)質(zhì)工藝條件下，可實(shí)現(xiàn)最佳的強(qiáng)塑性、強(qiáng)韌性匹配（屈服強(qiáng)度≥800 MPa、抗拉強(qiáng)度≥860 MPa、延伸率≥18%、常溫沖擊功≥130 J、-20 ℃沖擊功≥100 J。圖6 為新開(kāi)發(fā)鋼種在相對(duì)合理的淬火+回火工藝下的金相組織。

圖6 最佳熱處理工藝下的組織

4.3 車軸服役性能仿真驗(yàn)證

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用有限元方法，對(duì)新材質(zhì)、結(jié)構(gòu)車軸安全性能進(jìn)行對(duì)比仿真。仿真依據(jù)依舊以靜態(tài)彎曲剛度、靜態(tài)極限強(qiáng)度為準(zhǔn)，以驗(yàn)證采用新鋼種、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的車軸是否滿足使用需求。針對(duì)目標(biāo)車軸件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析具體步驟如下：

a.建立目標(biāo)車軸整體結(jié)構(gòu)的CAD 模型及有限元加載CAE 模型（圖7）。

圖7 目標(biāo)車軸仿真相關(guān)模型

b.模擬新鋼種、新結(jié)構(gòu)條件下車軸件在1 倍滿載載荷（模擬靜態(tài)條件下的服役工況）、2.5 倍滿載荷（參照QC/T 533、QC/T 534 要求，模擬實(shí)際道路顛簸條件下的動(dòng)態(tài)載荷）、極限載荷（對(duì)應(yīng)車軸安全系數(shù)）工況下各部位的應(yīng)力、位移分布狀態(tài)，理論分析是否滿足服役剛強(qiáng)度要求，從承載角度評(píng)估新開(kāi)發(fā)車軸件的安全性能優(yōu)勢(shì)性。

車軸彎曲加載工況如下，名義滿彎曲載荷力為P=127.4 kN，實(shí)際載荷力按取1 倍、2.5 倍、極限倍數(shù)而異。仿真工況與實(shí)際服役工況一致，載荷力對(duì)稱均勻施加在左右兩個(gè)板簧座上（每個(gè)板簧座載荷力為1/2 倍設(shè)定載荷力），此外輪距為1 840 mm、彈簧座間距950 mm、兩端加載部位的板簧寬度為90 mm。此外按照實(shí)際承載工況，確定了加載約束條件（圖8），其中，在兩端軸頭部位處按照裝配要求添加了對(duì)應(yīng)的軸承約束（約束面積按照實(shí)際軸承規(guī)格設(shè)定）。

圖8 車軸彎曲性能加載工況示意

如前所述，每種狀態(tài)條件下的仿真分析加載工況分別為：1 倍滿載荷、2.5 倍滿載荷、極限條件下的載荷值。1 倍數(shù)滿載荷考察車軸在靜態(tài)條件下是否滿足其對(duì)應(yīng)噸位半掛車產(chǎn)品的加載需求。2.5 倍滿載荷考察車軸在一般路面顛簸沖擊條件下的承載能力。極限載荷考察車軸在假設(shè)車輛超載條件下能夠承受的最大載荷水平。

針對(duì)1 倍、2.5 倍滿載荷，通過(guò)分析獲取車軸各部位的應(yīng)力值，以此作為評(píng)價(jià)其能否滿足一般承載需求的依據(jù)。具體是否滿足承載需求的判定標(biāo)準(zhǔn)是車軸各部位的應(yīng)力值是否超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度值。針對(duì)極限滿載荷值的判定，本次分析考慮兩種情況。從理論層面來(lái)說(shuō)，什么時(shí)候車軸各部位的應(yīng)力值達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度，即可認(rèn)為達(dá)到了車軸的安全極限值。但是在實(shí)際車軸安全性能測(cè)試過(guò)程中往往無(wú)法沿用應(yīng)力作為判定值，而是采用測(cè)試車軸在一定載荷加載并卸載后的最大殘余變形量進(jìn)行判定。通常試驗(yàn)工況條件下由于采用的殘余變形測(cè)量?jī)x器的精度均為0.1 mm，因此本次分析也采用此方法進(jìn)行判定，即仿真得出不同加載并卸載后車軸不同部位的最大殘余變形量值，若其超過(guò)0.1 mm 則認(rèn)為車軸已經(jīng)屈服，作為極限安全系數(shù)的判定依據(jù)。

如圖9，為基于新材料+輕量化+新結(jié)構(gòu)軋輥得到的目標(biāo)車軸在1 倍滿載荷條件下的應(yīng)力分布情況?？梢钥闯觯很囕S最大應(yīng)力為301 MPa，出現(xiàn)在車軸上半部分接觸部位處，滿足靜態(tài)加載工況需求。如圖10 為與上小節(jié)近相同壁厚條件下，基于新材料+新軋輥結(jié)構(gòu)制備車軸在2.5 倍滿載荷條件下的應(yīng)力分布情況。可以看出：車軸最大應(yīng)力為653 MPa，依舊出現(xiàn)在車軸上半部分接觸部位處，低于材料屈服強(qiáng)度，滿足一般顛簸路面沖擊載荷工況需求。如圖11 為基于新材料+新軋輥結(jié)構(gòu)制備車軸在6.5 倍滿載荷條件下的應(yīng)力分布情況。可以看出：車軸經(jīng)加載并卸載后，最大殘余變形量已經(jīng)達(dá)到了0.1 mm，可認(rèn)為已失效。

圖9 1.0倍滿載荷條件下的車軸件應(yīng)力分布

圖10 2.5倍滿載荷條件下的車軸件應(yīng)力分布

圖11 6.5倍極限載荷條件下的車軸件經(jīng)卸載后的殘余位移量分布

綜上所述，基于全新鋼種、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的車軸的極限安全系數(shù)為6.5 倍滿載荷，滿足性能需求。此外優(yōu)化前后車軸件的質(zhì)量由約95 kg 降低至約83 kg，減重幅度達(dá)12.6%，輕量化成效顯著。

4.4 車軸的表面強(qiáng)化處理

車軸在實(shí)際服役過(guò)程中的疲勞性能一直備受關(guān)注，為了提升車軸的疲勞壽命除了進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材質(zhì)改進(jìn)外，當(dāng)下國(guó)內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)方法就是對(duì)車軸進(jìn)行表面強(qiáng)力噴丸處理，以在零件表面形成一定量的殘余壓應(yīng)力，從而提升疲勞壽命，基于此，進(jìn)行了強(qiáng)力噴丸工藝的探索試驗(yàn)。如表3 為最終確定的合理噴丸工藝參數(shù)。

表3 強(qiáng)力噴丸工藝參數(shù)

如圖12 為試驗(yàn)樣品（熱處理態(tài)車軸取樣）經(jīng)噴丸處理后的微觀組織形貌情況，結(jié)果表明,現(xiàn)有噴丸工藝條件下在材料表面形成了明顯不同于基體的微觀組織形貌，具體體現(xiàn)為組織更加細(xì)化。如圖13 為本試驗(yàn)樣品（5 件）從表面噴丸層→過(guò)渡層→基體層的顯微硬度變化情況。結(jié)果表明：經(jīng)測(cè)量出現(xiàn)最大硬度值點(diǎn)與表面間的距離基本在0.7 mm 位置處，這也與行業(yè)已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。說(shuō)明噴丸強(qiáng)度、彈丸材質(zhì)及規(guī)格、噴丸流量、噴丸速率等參數(shù)設(shè)定基本上是合理的。

圖12 噴丸后材料不同部位的基體組織特征示例

圖13 經(jīng)拋丸處理后的樣品從表面自心部的顯微硬度變化

對(duì)噴丸處理對(duì)車軸表面的殘余壓應(yīng)力值進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備為D/max 2500PC 型XRD 分析儀。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)噴丸處理后，在樣品表層形成了約30~40 MPa 的殘余壓應(yīng)力。毫無(wú)疑問(wèn)，這對(duì)于提升車軸的疲勞壽命是有利的[9]。

5 新鋼種車軸件試制及性能試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述一系列新鋼種開(kāi)發(fā)、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，進(jìn)行了目標(biāo)車軸試制及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。圖14為小批量量產(chǎn)的基于新鋼種的目標(biāo)車軸樣件。進(jìn)行了新開(kāi)發(fā)車軸的臺(tái)架安全性能驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6?？梢钥闯觯谕燃虞d工況條件下，新開(kāi)發(fā)車軸軸身最大變形量（垂直于車軸體方向）為1.35 mm，小于原車軸的1.75 mm 水平，表明剛度提升，極限安全系數(shù)也滿足≥6.0 要求。此外，新開(kāi)發(fā)車軸滿足循環(huán)加載120 萬(wàn)次不開(kāi)裂要求，同樣滿足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)要求。此外，相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)要求按照QCT 533 和QCT 534 執(zhí)行。

表4 新開(kāi)發(fā)13 t車軸垂直彎曲靜剛度

表5 新開(kāi)發(fā)13 t車軸垂直彎曲靜強(qiáng)度

表6 新開(kāi)發(fā)13 t車軸垂直彎曲疲勞壽命

圖14 新材質(zhì)輕量化車軸樣件

6 結(jié)論

a.在傳統(tǒng)鋼種基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出微合金化的高強(qiáng)韌掛車車軸鋼種，該鋼種在熱軋管坯條件下屈服強(qiáng)度≥480 MPa、抗拉強(qiáng)度≥700 MPa、延伸率≥30%；調(diào)質(zhì)態(tài)屈服強(qiáng)度≥800 MPa、抗拉強(qiáng)度≥860 MPa、延伸率≥18%、常溫沖擊功≥130 J、-20 ℃沖擊功≥100 J。

b.研究了噴丸強(qiáng)化處理對(duì)車軸耐久性能的影響，結(jié)果表明通過(guò)一定的噴丸強(qiáng)化，使車軸表面形成一定的殘余壓應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)車軸耐久性能的有效提升。

c.在新鋼種開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了減重13.2%，且安全服役性能能夠保證甚至更具優(yōu)勢(shì)的13 t 車軸產(chǎn)品，滿足QCT 533 和QCT 534 行標(biāo)中提出的靜剛、強(qiáng)度（極限安全系數(shù)≥6.0）要求，且在指定設(shè)計(jì)應(yīng)力條件下疲勞試驗(yàn)120 萬(wàn)次無(wú)失效，取得了良好的輕量化成效。