汽車空心EPS轉向軸旋鍛工藝及顯微組織研究

周昆鳳，周志明，2，3，涂 堅，2，3，汪學靜，羅 榮，方飛松

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054;2.模具技術重慶市重點實驗室， 重慶 400054;3.江蘇祥和電子科技有限公司， 江蘇 徐州 221214;4.重慶市建設工業(集團)有限責任公司， 重慶 400054)

轉向軸是汽車轉向系統的核心部分，它用于將駕駛員作用于方向盤的力矩傳遞給轉向器，在服役過程中要求它具有一定的剛度、抗疲勞性能和吸能功能[1]。以往制造汽車轉向軸的工藝復雜且材料利用率低，造成了能源和資源的浪費，相比之下利用旋轉鍛造技術制造汽車空心轉向軸不僅能夠減輕汽車自重實現汽車輕量化，還能夠節約燃油減少污染物的排放[2-6]。旋轉鍛造是一種材料近凈成型技術，以往主要用于生產槍管等兵工器件[7]。隨著汽車需求量的不斷增加以及社會節能減排意識的不斷提高，旋轉鍛造技術被越來越多的學者探索和研究并應用到汽車零部件的制造中。董節功等[8-9]研究了汽車變徑臺階軸徑向鍛造錘頭數對鍛透性和生產率的影響；Lin等[10]對旋鍛用模具的接觸疲勞進行了研究；周志明等[11]通過實驗分析了空心半軸的工藝及顯微組織并通過有限元數值模擬分析作為工藝優化的手段；曹洋等[12]對旋鍛數值模擬中材料的應變分布、變形抗力以及溫度分布等進行了探索；高文貴等[13]對汽車半軸旋鍛成形中材料流動和鍛造力進行了研究；徐笑等[14]對徑向鍛造后晶粒的擇優取向進行了探究。以上研究工作大多側重于理論方面，對實際成形工藝少有提及，研究內容也沒有涉及汽車空心轉向軸。本文以已有的研究理論為依據，對汽車全空心EPS轉向軸的旋轉鍛造工藝、微觀組織及性能進行了研究，為合作單位自主開發汽車全空心EPS轉向軸的生產技術提供一定的技術參考，進一步充實我國旋轉鍛造技術和空心軸類零件生產技術的研究理論。

1 實驗材料及方法

實驗材料為Ф25 mm ×210 mm冷拔狀態下的08鋼無縫鋼管。采用德國Felss生產的HA40-1型旋轉鍛造設備進行旋鍛試驗。將旋鍛試樣關鍵成型部位利用線切割取樣再經電化學拋光后于∑IGMA-HD場發射掃描電鏡下進行微觀形貌的觀測，并利用HVS-1000型數顯顯微硬度計對其進行硬度的檢測，最后對旋鍛樣品進行疲勞性能的測試。

2 結果與討論

2.1 旋鍛工藝及宏觀形貌

圖1(a)是轉向軸旋鍛工序圖，無縫鋼管經鋸床下料成內徑為Ф20 mm、外徑為Ф25 mm、長度為210 mm的坯料，坯料由旋鍛設備自動送料裝置送入設備進行一工序內齒段的旋鍛成形，隨后將一工序成型后的樣品送入下一工序設備進行另一端頭第一臺階段的預成形，最后進行第二臺階段的成形，將旋鍛成形后的轉向軸經加工出外螺紋以得到最終的產品。圖1(b)是旋鍛成形后的樣品和機械加工后最終的轉向軸產品截面圖，從圖中可以看到旋段后樣品表面光潔圓整，各成形段過渡均勻，與模具貼合的內表面質量好，經旋鍛成形的內齒形狀規整，部位均無裂紋折疊等缺陷的產生，形狀和尺寸均滿足設計要求。

2.2 顯微組織及性能

取旋鍛成形制得的樣品原始部位、內齒部位以及臺階部位組織經電化學拋光后進行微觀形貌的觀測與分析，其取樣部位與微觀顯微組織如圖2所示。

原始部位位于樣品的中部，該部位無任何變形，由圖2(b)可知該部位組織無任何擇優取向，整體上呈無序分布狀態，由圖2(c)可知在高倍下能夠清晰地看到其組織為鐵素體+片層狀的珠光體組織，晶界完整清晰，晶粒尺寸較大。

圖1 轉向軸工序圖及產品

圖2 取樣示意圖及各部位顯微組織

圖2(d)和2(e)是內齒段的掃描圖樣，在低倍下可以看到經過旋鍛成型后材料整體的流動方向(如圖中白色箭頭所指)，高倍下該方向更加明顯，與原始組織相比內齒段的晶粒具有明顯的拔長趨勢，晶粒也更加細小，這表明旋鍛成型內齒較好地保留了材料的連續性，同時使材料形成了具有擇優取向的纖維組織，其性能得到了進一步提高。另外在2(d)中可以觀察到，旋鍛成型使內齒段內部組織呈現由表及里晶粒尺寸逐漸減小的現象，產生這種現象的原因可能是由于最外層材料直接和模具相接觸阻礙了表層金屬的流動，同時模具對材料施加的打擊能量通過表層金屬傳遞到內部，內部晶粒受到能量的沖擊而破碎，這使得內部的晶粒比表層更加細化，性能得到提高。臺階段的掃描電鏡圖樣2(f)和2(g)中，晶粒仍然呈現出具有擇優取向的組織，其流動方向如圖中白色箭頭所示。另外，由于臺階段的變形程度(錘頭下壓量)最大，所以其晶粒的整體尺寸較內齒段更加細小，這使得該段形成了晶粒呈扁長狀的纖維組織。在已有的研究中，辛夢溟等[15]發現隨著旋鍛錘頭下壓量的增加晶粒的變形程度會提高，顯微組織將呈現纖維狀組織，同時還發現材料的強度也會隨著變形程度的增加而提高；西安理工大學的陳文革等[16]在用旋鍛的方法制備WCu25合金線材的時候發現通過旋鍛加工可以大大提高材料的致密度，降低原材料中的孔隙率，優化材料的組織性能。因此，旋鍛能夠很大程度地改善材料的組織情況，從根本上提高其性能。

2.3 顯微硬度

取轉向軸各段區域的樣品進行顯微硬度的測試，其測試部位如圖3(a)所示。在各段區域的試樣的RD-TD面上隨機取10個點測量其硬度值，其硬度值分布情況如圖3(b)所示。由折線圖可知，經過旋鍛變形后的內齒段和臺階段的顯微硬度明顯高于原始段，通過測量計算原始段組織的平均硬度為178 HV，而內齒段和臺階段的平均硬度分別為202 HV和199 HV。一方面旋鍛錘頭的能量使變形段的晶粒破碎，組織得到細化，提高了材料的性能；另一方面，由于旋鍛的變形量提高了材料的致密度，從而使得變形段的硬度高于原始段。羅明等[17]的研究表明旋轉鍛造的變形量使原材料中存在的空隙發生一系列的剪切變形而閉合，這使得材料的相對密度得到提高，最終導致其硬度的顯著提高；Lim等[18]研究發現旋轉鍛造的減徑變形使原始材料中的晶粒沿軸向變形成為細長狀的晶粒，這比一般成形方法所獲得產品的精度和硬度更高。

圖3 取樣示意圖及各段顯微硬度值

2.4 疲勞性能

將轉向軸樣品進行疲勞性能的測試。經檢測該汽車空心EPS轉向軸靜扭矩為320 N·m，在加載為35 N·m下低載疲勞測試中的樣件發生斷裂為4×105次以上，均達到了國家標準，因此該汽車轉向軸性能滿足要求。

3 結論

1) 經旋轉鍛造技術制得的汽車空心轉向軸各部位無裂紋折疊等缺陷的產生，形狀和尺寸均滿足設計要求。

2) 旋鍛后的組織中原始晶粒變形成為具有擇優取向的纖維組織，材料致密度顯著提高；通過測量3個區域的顯微硬度，得到原始段的顯微硬度平均值為178 HV，內齒段和臺階段的平均硬度分別為202 HV和199 HV，旋轉鍛造改善了材料的組織情況從而使其硬度得到提高。

3) 旋鍛空心EPS轉向軸靜扭矩為320 N·m，在加載為35 N·m下低載疲勞測試中的樣件發生斷裂為4×105次以上，均達到了國家標準，滿足使用要求。