新型彈性軸用鋼組織與性能優化技術研究

趙 富， 劉國強， 王小海

（內蒙古第一機械集團股份有限公司， 內蒙古包頭 014032）

0 引言

隨著車輛的發展，整車的綜合性能整體提升，因此對彈性軸的性能要求也越來越高。 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， 在使用過程中會受到彎矩、扭矩和剪切力作用[2]，因此對材料的力學性能要求較高，而材料的力學性能除了與原材料本身的性能有關外，還與熱處理工藝后的組織對性能的關系很大， 因此研究不同熱處理工藝對彈性軸材料組織與性能的影響很有必要[3]。 為此開展了新型彈性軸用鋼應用研究，新材料彈性軸用鋼采用了超高純凈冶煉技術和合理的成分設計，在保持材料強度的同時，提高了材料的韌性，并經熱處理工藝的優化組合，從而使彈性軸的疲勞強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 性能試驗研究與結果

1.1 化學成分

中碳鋼經低溫回火時，鋼的強度較高，但韌性和屈強比較低。 為提高韌性和屈強比，本項目研究過程中，設計了能在300℃回火而強度仍滿足技術指標要求的新型彈性軸用鋼（代號N1）。 表1 為經電渣重熔冶煉后材料的化學成分，其中還列出了對比用的45CrNiMoVA 鋼的化學成分。 可見，N1 鋼的潔凈度明顯優于原彈性軸用鋼45CrNiMoVA。 特別值得一提的是，由于N1 鋼中氧含量的大幅度降低，將會改善彈性軸的疲勞性能。

表1 兩種彈性軸用鋼的化學成分（wt%）

1.2 微觀組織和力學性能

N1 鋼經淬火、300℃低溫回火后，組織為回火馬氏體，如圖1 所示。 當回火溫度低于350℃時，在光學顯微鏡下觀察，馬氏體組織沒有明顯變化。 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）；透射電鏡觀察發現，隨回火溫度的升高，鋼中位錯密度下降。

圖1 試驗鋼N1 經300℃回火后的組織形貌：（a）金相和（b）TEM

圖2 為N1 鋼經860℃、880℃和900℃奧氏體化后淬火、并經不同溫度回火后的抗拉強度和屈服強度。 可以看出，隨回火溫度的升高，抗拉強度變化不明顯，而屈服強度有一定程度的增加，因此屈強比升高。 屈服強度的增加主要是因為碳化物析出引起，而抗拉強度的下降則可能是由于馬氏體中固溶的C 含量下降和位錯密度下降所致。 此外，在860～900℃之間，淬火溫度對強度的影響不大。

圖2 試驗鋼N1 的（a）抗拉強度和（b）屈服強度隨回火溫度的變化

表2 為N1 鋼在880℃淬火、200～350℃低溫回火時的力學性能， 從表中可看出， 綜合性能較好的是在275～325℃范圍內， 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性能試驗結果

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

表3 兩種彈性軸用鋼的拉伸力學性能

表4 兩種彈性軸用鋼的硬度和韌性

1.3 試樣的扭轉試驗

扭轉試驗所測定的扭轉強度， 是彈性軸設計應用中必不可少的。試驗中為了對N1 鋼和45CrNiMoVA 鋼扭轉強度進行比較，將N1 鋼和對比鋼45CrNiMoVA 同時加工成扭桿試樣（L0=50mm，Lc=70mm，d0=10mm），熱處理工藝見表5， 處理后進行精加工。 扭轉試驗按照GB10128—1988 標準在室溫進行，試驗結果如表5 所示。

表5 兩種彈性軸用鋼的扭轉強度

1.4 抗氫致延遲斷裂性能

彈性軸在使用過程中可能會受到來自環境中氫的影響， 那么其抗氫致延遲斷裂性能在應用研究中就非常重要了。為此將N1 鋼經熱處理后加工成圖3 所示氫致延遲斷裂試樣， 并經電化學方法充氫后進行慢應變速率拉伸試驗， 通過氫導致缺口拉伸強度的下降程度來表征其氫致延遲斷裂敏感性。 試驗時拉伸速度為0.005mm/min。 試驗結果如圖4 和圖5所示， 可見N1 鋼斷口無沿晶斷裂， 缺口拉伸強度下降不大，說明其抗氫致延遲斷裂性能優良。

圖3 氫致延遲斷裂試樣尺寸及實物照片

圖4 N1 鋼缺口慢拉伸試樣充氫后斷口SEM 形貌（與未充氫試樣無明顯差別）

圖5 不同充氫條件下N1 鋼的缺口拉伸強度（應力集中系數Kt=3.9）

2 臺架試驗

新型彈性軸用N1 鋼，經力學性能、扭轉強度試驗、抗氫致延遲斷裂性能等性能測試，效果較好。為了進一步的推廣應用，將其按相應產品圖號規格制成彈性軸，進行實物疲勞臺架試驗。 其中包括耐久壽命試驗（扭轉次數：≥45000次）和破壞性試驗（扭轉次數：扭斷為止）。

2.1 試驗結果

臺架試驗結果表明： N1 鋼制造的彈性軸，在動扭角為70°（扭轉角12.5°～83.0°）時，進行耐久性試驗其扭轉次數均大于45000 次，最大殘余變形角為2.11°。 在動扭角為 79°（扭轉角8.1°～87.0°） 時， 進行破壞性試驗扭轉至84225 次破斷，見表6。

表6 臺架試驗數據

2.2 斷裂彈性軸分析

對破壞性疲勞試驗完畢的彈性軸進行了分析。 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。分析發現，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， 進行斷口掃描電鏡分析認為其屬韌性斷口。

3 結果分析

從化學成分分析中可看出：N1 鋼的潔凈度明顯優于原彈性軸用鋼45CrNiMoVA。 特別值得一提的是，由于N1 鋼中氧含量的大幅度降低，會起到改善彈性軸的疲勞性能的作用。

在275～325℃范圍內回火后顯示， N1 鋼力學性能較好。屈服強度隨回火溫度的升高而升高，因此屈強比升高，抗拉強度沒有明顯變化。 從試驗結果也可看出，45CrNi-MoVA 鋼的抗拉強度為2180MPa、 N1 鋼的抗拉強度為2060MPa，兩種鋼的抗拉強度都在2000MPa 以上，均屬于高強度系列。 盡管45CrNiMoVA 鋼的抗拉強度稍高，但其屈服強度比N1 鋼低200MPa 以上，結果導致其屈強比只有0.74，而N1 鋼的屈強比達到0.89。 扭轉強度試驗中也得出同樣的結論， 在同等試驗條件下45CrNiMoVA 鋼扭轉強度為1858 MPa，N1 鋼為1706 MPa；而屈服疲勞扭轉強度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鋼對氫導致的缺口拉伸強度的下降程度無明顯變化，表征其氫致延遲斷裂敏感性差。并且斷口無沿晶斷裂，缺口拉伸強度下降不大，說明其抗氫致延遲斷裂性能優良，這一性能對彈性軸在污染較嚴重的工作環境下服役是很關鍵的。

臺架試驗結果顯示N1 鋼制造的彈性軸， 其耐久性試驗達到45000 次仍然完好無損， 破壞性試驗到84225次時破斷。 在破壞性疲勞試驗后的彈性軸上取樣分析發現，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 結論

新鋼種N1 鋼由于采用溫度略高點的低溫回火，其強韌性配合合理， 屈服強度及屈強比均高于45CrNiMoVA鋼；從試樣的扭轉強度試驗得出， N1 鋼的屈服扭轉強度遠遠高于45CrNiMoVA 鋼，這一指標的高、低對彈性軸服役狀態的好、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。