新型彈性軸用鋼組織與性能優(yōu)化技術(shù)研究

趙 富， 劉國(guó)強(qiáng)， 王小海

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司， 內(nèi)蒙古包頭 014032）

0 引言

隨著車輛的發(fā)展，整車的綜合性能整體提升，因此對(duì)彈性軸的性能要求也越來(lái)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(guò)程中會(huì)受到彎矩、扭矩和剪切力作用[2]，因此對(duì)材料的力學(xué)性能要求較高，而材料的力學(xué)性能除了與原材料本身的性能有關(guān)外，還與熱處理工藝后的組織對(duì)性能的關(guān)系很大， 因此研究不同熱處理工藝對(duì)彈性軸材料組織與性能的影響很有必要[3]。 為此開(kāi)展了新型彈性軸用鋼應(yīng)用研究，新材料彈性軸用鋼采用了超高純凈冶煉技術(shù)和合理的成分設(shè)計(jì)，在保持材料強(qiáng)度的同時(shí)，提高了材料的韌性，并經(jīng)熱處理工藝的優(yōu)化組合，從而使彈性軸的疲勞強(qiáng)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。

1 性能試驗(yàn)研究與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

中碳鋼經(jīng)低溫回火時(shí)，鋼的強(qiáng)度較高，但韌性和屈強(qiáng)比較低。 為提高韌性和屈強(qiáng)比，本項(xiàng)目研究過(guò)程中，設(shè)計(jì)了能在300℃回火而強(qiáng)度仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求的新型彈性軸用鋼（代號(hào)N1）。 表1 為經(jīng)電渣重熔冶煉后材料的化學(xué)成分，其中還列出了對(duì)比用的45CrNiMoVA 鋼的化學(xué)成分。 可見(jiàn)，N1 鋼的潔凈度明顯優(yōu)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(huì)改善彈性軸的疲勞性能。

表1 兩種彈性軸用鋼的化學(xué)成分（wt%）

1.2 微觀組織和力學(xué)性能

N1 鋼經(jīng)淬火、300℃低溫回火后，組織為回火馬氏體，如圖1 所示。 當(dāng)回火溫度低于350℃時(shí)，在光學(xué)顯微鏡下觀察，馬氏體組織沒(méi)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(fā)現(xiàn)，隨回火溫度的升高，鋼中位錯(cuò)密度下降。

圖1 試驗(yàn)鋼N1 經(jīng)300℃回火后的組織形貌：（a）金相和（b）TEM

圖2 為N1 鋼經(jīng)860℃、880℃和900℃奧氏體化后淬火、并經(jīng)不同溫度回火后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。 可以看出，隨回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度變化不明顯，而屈服強(qiáng)度有一定程度的增加，因此屈強(qiáng)比升高。 屈服強(qiáng)度的增加主要是因?yàn)樘蓟镂龀鲆穑估瓘?qiáng)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(cuò)密度下降所致。 此外，在860～900℃之間，淬火溫度對(duì)強(qiáng)度的影響不大。

圖2 試驗(yàn)鋼N1 的（a）抗拉強(qiáng)度和（b）屈服強(qiáng)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(shí)的力學(xué)性能， 從表中可看出， 綜合性能較好的是在275～325℃范圍內(nèi)， 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(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 和表4 為N1 鋼和45CrNiMoVA 鋼的力學(xué)性能，其中45CrNiMoVA 鋼經(jīng)淬火、180℃回火處理，N1 鋼經(jīng)淬火、300℃回火處理。 從表3 中可以看出，兩種鋼的抗拉強(qiáng)度都在2000MPa 以上， 盡管45CrNiMoVA 鋼的抗拉強(qiáng)度稍高，但其屈服強(qiáng)度比N1 鋼低200MPa 以上，結(jié)果導(dǎo)致其屈強(qiáng)比只有0.74，而N1 鋼的屈強(qiáng)比達(dá)到0.89。 同其它彈簧鋼一樣，彈性軸用鋼也要求有高的屈強(qiáng)比，因此，從屈強(qiáng)比角度來(lái)看，N1 鋼更加適合于做彈性軸用鋼。 此外，從表4 的結(jié)果中還可以看出，N1 鋼的沖擊韌性和斷裂韌性也優(yōu)于45CrNiMoVA 鋼。 經(jīng)300℃回火后，N1 鋼的硬度在HRC54 以上，抗拉強(qiáng)度在2000MPa 以上，屈服強(qiáng)度在1800MPa 以上。

表3 兩種彈性軸用鋼的拉伸力學(xué)性能

表4 兩種彈性軸用鋼的硬度和韌性

1.3 試樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)所測(cè)定的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度， 是彈性軸設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的。試驗(yàn)中為了對(duì)N1 鋼和45CrNiMoVA 鋼扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行比較，將N1 鋼和對(duì)比鋼45CrNiMoVA 同時(shí)加工成扭桿試樣（L0=50mm，Lc=70mm，d0=10mm），熱處理工藝見(jiàn)表5， 處理后進(jìn)行精加工。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)按照GB10128—1988 標(biāo)準(zhǔn)在室溫進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 兩種彈性軸用鋼的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

1.4 抗氫致延遲斷裂性能

彈性軸在使用過(guò)程中可能會(huì)受到來(lái)自環(huán)境中氫的影響， 那么其抗氫致延遲斷裂性能在應(yīng)用研究中就非常重要了。為此將N1 鋼經(jīng)熱處理后加工成圖3 所示氫致延遲斷裂試樣， 并經(jīng)電化學(xué)方法充氫后進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)， 通過(guò)氫導(dǎo)致缺口拉伸強(qiáng)度的下降程度來(lái)表征其氫致延遲斷裂敏感性。 試驗(yàn)時(shí)拉伸速度為0.005mm/min。 試驗(yàn)結(jié)果如圖4 和圖5所示， 可見(jiàn)N1 鋼斷口無(wú)沿晶斷裂， 缺口拉伸強(qiáng)度下降不大，說(shuō)明其抗氫致延遲斷裂性能優(yōu)良。

圖3 氫致延遲斷裂試樣尺寸及實(shí)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(wú)明顯差別）

圖5 不同充氫條件下N1 鋼的缺口拉伸強(qiáng)度（應(yīng)力集中系數(shù)Kt=3.9）

2 臺(tái)架試驗(yàn)

新型彈性軸用N1 鋼，經(jīng)力學(xué)性能、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)、抗氫致延遲斷裂性能等性能測(cè)試，效果較好。為了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，將其按相應(yīng)產(chǎn)品圖號(hào)規(guī)格制成彈性軸，進(jìn)行實(shí)物疲勞臺(tái)架試驗(yàn)。 其中包括耐久壽命試驗(yàn)（扭轉(zhuǎn)次數(shù)：≥45000次）和破壞性試驗(yàn)（扭轉(zhuǎn)次數(shù)：扭斷為止）。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明： N1 鋼制造的彈性軸，在動(dòng)扭角為70°（扭轉(zhuǎn)角12.5°～83.0°）時(shí)，進(jìn)行耐久性試驗(yàn)其扭轉(zhuǎn)次數(shù)均大于45000 次，最大殘余變形角為2.11°。 在動(dòng)扭角為 79°（扭轉(zhuǎn)角8.1°～87.0°） 時(shí)， 進(jìn)行破壞性試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)至84225 次破斷，見(jiàn)表6。

表6 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 斷裂彈性軸分析

對(duì)破壞性疲勞試驗(yàn)完畢的彈性軸進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(jìn)行斷口掃描電鏡分析認(rèn)為其屬韌性斷口。

3 結(jié)果分析

從化學(xué)成分分析中可看出：N1 鋼的潔凈度明顯優(yōu)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(huì)起到改善彈性軸的疲勞性能的作用。

在275～325℃范圍內(nèi)回火后顯示， N1 鋼力學(xué)性能較好。屈服強(qiáng)度隨回火溫度的升高而升高，因此屈強(qiáng)比升高，抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化。 從試驗(yàn)結(jié)果也可看出，45CrNi-MoVA 鋼的抗拉強(qiáng)度為2180MPa、 N1 鋼的抗拉強(qiáng)度為2060MPa，兩種鋼的抗拉強(qiáng)度都在2000MPa 以上，均屬于高強(qiáng)度系列。 盡管45CrNiMoVA 鋼的抗拉強(qiáng)度稍高，但其屈服強(qiáng)度比N1 鋼低200MPa 以上，結(jié)果導(dǎo)致其屈強(qiáng)比只有0.74，而N1 鋼的屈強(qiáng)比達(dá)到0.89。 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)中也得出同樣的結(jié)論， 在同等試驗(yàn)條件下45CrNiMoVA 鋼扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為1858 MPa，N1 鋼為1706 MPa；而屈服疲勞扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(yōu)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(duì)氫導(dǎo)致的缺口拉伸強(qiáng)度的下降程度無(wú)明顯變化，表征其氫致延遲斷裂敏感性差。并且斷口無(wú)沿晶斷裂，缺口拉伸強(qiáng)度下降不大，說(shuō)明其抗氫致延遲斷裂性能優(yōu)良，這一性能對(duì)彈性軸在污染較嚴(yán)重的工作環(huán)境下服役是很關(guān)鍵的。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示N1 鋼制造的彈性軸， 其耐久性試驗(yàn)達(dá)到45000 次仍然完好無(wú)損， 破壞性試驗(yàn)到84225次時(shí)破斷。 在破壞性疲勞試驗(yàn)后的彈性軸上取樣分析發(fā)現(xiàn)，斷口形貌屬正常韌性斷口，充分顯示了此鋼具有較好韌性。

4 結(jié)論

新鋼種N1 鋼由于采用溫度略高點(diǎn)的低溫回火，其強(qiáng)韌性配合合理， 屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比均高于45CrNiMoVA鋼；從試樣的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)得出， N1 鋼的屈服扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于45CrNiMoVA 鋼，這一指標(biāo)的高、低對(duì)彈性軸服役狀態(tài)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。