汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞及半軸扭轉(zhuǎn)疲勞性能研究

文／李金波，范全保·河鋼集團邯鋼公司技術(shù)中心

半軸是汽車傳動系統(tǒng)中的重要運動部件之一，兩端分別與半軸齒輪和車輪連接。半軸在服役過程中，既要承受較高的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，又要保證復(fù)雜工況隨機變幅載荷下不疲勞斷裂，因此材料的疲勞性能必須達(dá)到要求值才能保證構(gòu)件的壽命。影響半軸疲勞性能的因素很多，有原材料質(zhì)量、半軸加工工藝、熱處理工藝等，其中原材料質(zhì)量對于半軸疲勞性能的影響較為關(guān)鍵，研究半軸原材料質(zhì)量對半軸疲勞性能的影響具有重要意義。

本文以邯鋼汽車半軸用鋼40CrH和以40CrH為原材料生產(chǎn)的乘用車半浮式半軸為研究對象，通過進(jìn)行汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗和乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗，研究了基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH技術(shù)指標(biāo)條件下汽車半浮式半軸的疲勞性能，為相關(guān)半軸用鋼及汽車半軸的開發(fā)提供指導(dǎo)。

試驗材料及性能

本文研究的汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗和乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗材料均采用以下生產(chǎn)工藝和性能指標(biāo)條件下的φ70mm 規(guī)格40CrH圓鋼，其生產(chǎn)工藝路線為：轉(zhuǎn)爐冶煉+LF+RH →連鑄380mm×280mm →開坯軋制150mm×150mm→棒材軋制φ20～90mm。化學(xué)成分見表1。

表1 40CrH化學(xué)成分（%）

表2 40CrH力學(xué)性能檢測

表2所示為40CrH力學(xué)性能檢測，40CrH力學(xué)性能指標(biāo)滿足GB/T 3077-2015中40Cr鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，熱軋態(tài)布氏硬度190～220HB；表3所示為40CrH淬透性平均值，40CrH淬透性J9值43～47HRC，J15值31～35HRC，實現(xiàn)了淬透性窄帶寬下限控制。

表3 40CrH淬透性平均值（HRC）

40CrH圓鋼低倍組織未發(fā)現(xiàn)目視可見的殘余縮孔、氣泡、裂紋等缺陷，中心疏松≤1.0級，一般疏松、中心偏析、錠型偏析≤0.5級，無一般點狀偏析和邊緣點狀偏析缺陷，檢測結(jié)果見表4。

表4 40CrH低倍組織檢測（級）

40CrH圓鋼非金屬夾雜物A類、B類、D類非金屬夾雜物級別≤1.5級，無C類非金屬夾雜物存在，檢測結(jié)果見表5。

表5 40CrH非金屬夾雜物檢測（級）

40CrH圓鋼晶粒度7.5～8.0級，脫碳層0.20～0.50%D（直徑），帶狀組織≤2.0級，1/3熱頂鍛檢測和酸浸塔形發(fā)紋檢測合格，如表6所示。

表6 40CrH其他性能檢測

汽車半軸用鋼40CrH旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗主要用于測定承受彎矩的旋轉(zhuǎn)軸類材料，其主要原理是在旋轉(zhuǎn)試樣施加恒定的彎矩，以測定材料的疲勞極限、繪制材料的P-S-N曲線。本文在汽車半軸用鋼開發(fā)階段進(jìn)行半軸加工工藝模擬，并開展旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，研究半軸原材料質(zhì)量對半軸疲勞性能的影響。

試驗樣品為邯鋼φ70mm規(guī)格40CrH圓鋼，采用與用戶半軸產(chǎn)品相同的鍛造及熱處理工藝后進(jìn)行制樣，試樣的加工流程為下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工，試樣硬度為26～28HRC。

試驗用試驗機為QT900-2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，試樣加工為圓柱形。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4337-2015進(jìn)行，采用成組法。試驗可得：⑴隨著試驗應(yīng)力的降低，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞平均循環(huán)次數(shù)呈對數(shù)增加，繪制出P-S-N曲線如圖1所示；⑵汽車半軸用鋼40CrH旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞存活率50%的疲勞壽命下限值為366.7MPa，存活率90%的疲勞壽命下限值為343.0MPa，存活率95%的疲勞壽命下限值為341.0 MPa，P-S-N擬合曲線關(guān)系式如表7所示。

表7 P-S-N擬合曲線關(guān)系式

圖1 P-S-N曲線

半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗

半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗是指半軸試樣在扭轉(zhuǎn)試驗機下，以一定曲率半徑在一定回轉(zhuǎn)頻率扭轉(zhuǎn)變形過程中試樣耐疲勞破壞能力的試驗。

本文中半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命檢測采用某品牌乘用車半浮式半軸三個型號的樣品，每個型號試驗5根，其半軸加工工藝為下料→加熱→楔橫軋→鍛后余熱淬火→回火→機加工→表面熱處理→精加工。試驗半軸樣品試驗參數(shù)如下。

試驗參數(shù)及檢測條件

乘用車半浮式半軸，發(fā)動機最大扭矩Memax=310N·m；輪胎滾動半徑r=358mm；變速器I檔速比ik1=4.12；主減速比i=3.9；分動器低擋減速比ip=2.48；滿載軸荷P=15.533kN；半軸懸臂長度L=56.1mm。

采用交變非對稱循環(huán)載荷加載。最大試驗扭矩Mmax=2446 N·m；最小試驗扭矩Mmin=222 N·m；試驗頻率f=8.8～9.2Hz。

試驗結(jié)果與討論

經(jīng)檢驗，采用邯鋼40CrH加工的某品牌三個型號汽車半軸樣品扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗的中值壽命B50≥ 80.0×104次。

結(jié)論

⑴基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)及半軸加工工藝，半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞50%存活率疲勞壽命下限值為366.7MPa。

⑵基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)及半軸加工工藝，加工的乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞中值壽命B50≥80.0×104次。