40Cr钢汽车半轴淬火缺陷分析及热处理工艺改进_高为国

第18卷第4期 湖南工程学院学报 V o1.18.No .4　2008年12月 Journal of H unan Institute of Engineering Dec .2008　
收稿日期:2008-06-19
基金项目:湖南省自然科学基金项目(07jj6077)
作者简介:高为国(1962-),男,教授,研究方向:金属材料及热处理.
40C r 钢汽车半轴淬火缺陷分析及热处理工艺改进
高为国,董丽君,胡凤兰,覃　波
(湖南工程学院机械工程学院,湘潭411101)
摘　要:根据40C r 钢汽车半轴的实际淬火工艺,分析了淬火开裂的主要原因,并针对淬火开裂的主要
形式,制定出了三种热处理工艺方案并实施.通过分析热处理后的金相显微组织和硬度数据,确定出最终的热处理工艺及其主要参数.试验结果表明:40Cr 钢在860℃油淬后,再进行860℃淬入5%～10%
的盐水冷却、580℃回火,使强度、硬度低的网状铁素体相对量有所下降,可有效的防止淬火开裂,并提高其疲劳寿命.
关键词:汽车半轴;淬火开裂;热处理工艺;力学性能;显微组织
中图分类号:TG162.71　文献标识码:A 文章编号:1671-119X (2008)04-0033-04
0　引言
汽车半轴是汽车的重要部件之一,是在汽车运行中承受自重和货物重量,并传递扭矩的重要零件,常采用40Cr 钢制造,其产品质量直接影响着整车的性能.
40Cr 钢属于亚共析钢,缓冷至室温后的显微组织为铁素体加珠光体,含有较少的合金元素,属于低淬透性合金调质钢,经适当热处理后具有较高的强度、良好的塑性和韧性,即具有良好的综合力学性能,常用于制造汽车的连杆、螺栓、传动轴及机床主轴等机械零件.
汽车半轴的热处理一般采用调质处理.采用的半轴材料与其工作条件有关,如中型载重汽车目前大多选用40Cr 钢制造,多半在机加工后进行调质处理,再经喷丸、矫直后精加工成最终产品,有时还会增加一次表面淬火工艺,以提高汽车半轴的静扭转强度和疲劳寿命.由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆,并且在工件内部存在很大的内应力,如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂,一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度,甚至开裂.因此,研究汽车半轴的淬火开裂原因及相应的解决办法是十分必要的.随着新型淬火液的广泛应用,像40C r 一类的中碳低合金钢较大直径
的工件,用常规方法淬冷(机油、柴油冷却)后,仍不能满足设计要求时,改用其他淬火液淬火并调整相
应的热处理工艺参数,在满足设计要求的前提下,可有效解决常规油淬时出现硬度不足的问题.
汽车半轴传统上采用中碳或中碳合金钢制造,经调质处理后,得到由铁素体基体和弥散分布于其上的细粒状渗碳体组成的回火索氏体组织,使钢的强度、塑性、韧性配合恰当,具有良好的综合力学性能.与片状珠光体组织相比,在强度相同时,回火索氏体的塑性和韧性有较大幅度提高.锻造后进行正火以消除过热倾向,法兰盘加工后,整体进行调质处理,最后加工花键.调质后要求杆部硬度为29～34H RC ,淬透层应为回火托氏体和回火索氏体组织,心部(从轴心到花键底半径3/4范围内)允许有铁素体存在.
本文根据40Cr 钢汽车半轴的实际淬火工艺,分析其导致淬火开裂的主要原因,特别是热处理操作方面的不足,并对给定40Cr 钢汽车半轴进行金相组织和热处理工艺分析,找出造成半轴开裂时的组织状态和断裂的主要形式;根据分析结果确定出最终的热处理工艺及其主要参数,以提高40Cr 钢汽车半轴的使用寿命.
DOI :10.15987/j .cn ki .hgbjbz .2008.04.003
1　淬火缺陷分析
热处理之所以能使金属材料的性能发生变化,
主要是因为金属材料的内部组织结构可以发生一系列的变化.采用不同的热处理工艺,将会使金属材料得到不同的组织结构,从而获得所需要的性能.40Cr 钢的淬火加热温度一般选择850℃左右.如果淬火温度太高,会使晶粒变大,力学性能变差.淬火保温时间只要保证试样内外温度一致,碳和合金元素有充分扩散的时间,即可达到奥氏体成分均匀化的目的.淬火时,常采用半轴杆部先进行淬火,而使盘部进行空冷,待盘部冷至Ar 3以下后,再全部浸入淬火液中冷却,这样往往因淬火操作不当而产生盘部淬裂和存在软点的质量问题,生产中曾发生过一次淬裂28根半轴的严重质量事故.从宏观上看,主裂纹均在两孔之间呈放射状分布,如图1所示
.
图1　盘部淬火裂纹200×
从裂纹处取样进行金相分析,发现所有的裂纹
均沿原奥氏体晶界发展,裂纹两侧的组织与杆部基体组织完全相同,均为回火索氏体和回火托氏体组织,无脱碳、氧化和过热现象产生.汽车半轴断裂的位置均在盘和杆的连接处,断口都是由疲劳源扩展形成的光滑区域(疲劳区)和瞬时断裂的粗糙部分组成,断口为棘轮状花样及清洗的海滩花样的故障半轴,其端口附近的组织为网(块)状铁素体和珠光体.
在对淬裂的40C r 钢汽车半轴进行化学成分分析、夹杂物分析、晶粒度分析时,并无异常情况出现,均符合要求,原材料合格.
根据40Cr 钢汽车半轴的具体淬火操作可知,盘上16个孔的边缘部分首先与淬火液接触形成马氏体组织,而盘与杆部的过渡区因散热条件较差,冷却较慢,后发生马氏体转变,其体积膨胀产生的应力可能使已淬硬的盘部边缘承受很大的拉应力,再加上应力集中的出现,结果产生辐射状淬火裂纹.由于半轴的盘和杆连接处因冷却速度缓慢而产生了大量的网(块)状铁素体组织,硬度和疲劳强度降低,在试车时则出现早期的疲劳断裂,由此可见,这是由于淬火冷却时的工艺和操作不当,导致局部淬火不足造成的.
2　热处理工艺的改进
根据40Cr 钢汽车半轴的服役条件及失效形式分析,所拟定的技术路线如下:下料※锻造※退火
(或正火)※粗加工※淬火※回火※精加工※适当的表面处理※成品.本文主要针对40Cr 钢汽车半轴的
最终热处理工艺进行试验研究,所选定的热处理工艺方案如表1所示.
表1　选定的热处理工艺方案
热处理工艺工艺1
工艺2
工艺3
工艺参数
860℃(25min )油淬+520℃(70min )油冷回火
860℃(25min )盐水(5%～10%)淬火+580℃(70min )油冷回火
860℃(25min )油淬+自行回火+860℃(25min )盐水(5%～10%)淬火+580℃(70min )油冷回火
2.1　硬度测试
将若干经过热处理后的试样在H RS -150洛
氏硬度计上进行硬度测定,所得数据如表2所示.
表2　热处理后试样的硬度值(H RC )
工艺类别12345678910平均工艺129.132.932.230.933.331.834.132.034.333.632.4工艺229.330.430.329.129.730.030.529.330.430.029.9工艺3
28.9
31.7
29.5
30.0
30.2
30.0
30.0
30.3
30.4
30.0
30.1
34 湖南工程学院学报 2008年
2.2　组织分析40Cr 钢热处理工艺1的显微组织如图2所示.该金相组织为晶粒较细、分布均匀的回火索氏体,内应力很小
.
图2　40Cr 钢工艺1的显微组织500×
回火索氏体的渗碳体颗粒比回火托氏体粗,弥散程度较小.其硬度一般为220～330H BS .回火索氏体组织既具有一定的硬度、强度,也具有良好的塑性和韧性,即有良好的综合力学性能.
40Cr 钢热处理工艺2的显微组织也是晶粒较细、分布均匀的回火索氏体组织,如图3所示.回火索氏体组织的获得,使材料具有了较高的弹性极限、屈服强度和韧性等优良的力学性能.硬度偏高说明回火温度稍低,对应的组织中是较细的渗碳体分布在铁素体基体上,当回火温度高,则渗碳体长大,硬度降低.回火温度愈高,渗碳体质点愈大,弥散程度愈小,则钢的硬度和强度愈低,而韧性却有较大提高
.
图3　40Cr 钢工艺2的显微组织500×
在亚共析钢中随着碳含量的增加,奥氏体的稳定性增强.而碳含量减少时,奥氏体稳定性也相对减弱,故在冷却过程中,奥氏体将在较高温度下转变,容易析出共析铁素体(碳含量愈低,先析出铁素体的可能性愈大).
当工件用盐水淬火时,由于食盐晶体在工件表
面的析出和爆裂,不仅有效的破坏了包围在工件表
面的蒸汽膜,使冷却速度加快,而且能破坏在淬火加热时所形成的附在工件表面上的氧化铁皮,使它剥落下来.因此用盐水淬火的工件容易得到高的硬度和光洁的表面,不易产生软点.但由于盐水的淬冷能力很强,将使工件变形严重,甚至发生开裂.
40Cr 钢热处理工艺3的显微组织如图4所示.该金相组织为更加致密,分布更加均匀的回火索氏体
.
图3　40Cr 钢工艺3的显微组织500×
回火索氏体组织与一般组织相比,具有较优的性能.如硬度相同时,回火托氏体和回火索氏体比一般屈氏体(油淬)和索氏体(正火)具有较高的强度、
塑性和韧性.这主要是组织形态不同所致.
经调质热处理后的回火索氏体组织,不允许有块状铁素体出现,否则会降低硬度和韧性.
热处理工艺3相对于热处理工艺1、热处理工艺2来说,组织比较致密、均匀.且晶粒度介于前两者之间,即与热处理工艺方案1相比硬度较低,但塑性韧性相对有所提高;与热处理工艺方案2相比硬度较高,但塑性、韧性有所下降.热处理方案3的热处理工艺使40Cr 钢的综合性能得到提高,在一定程度上减少了淬火裂纹的产生.
3　结　论
40Cr 钢汽车半轴热处理中发生的淬裂和早期
疲劳断裂,主要是由于热处理工艺不良,盘部入水时间过早或离水面太近、淬火应力过大;淬火时采用油冷却,为了获得较深淬硬层,法兰盘部分先行油冷(为了防止开裂)后自行回火,然后再进行整体水淬的淬火工艺.调质后硬度控制在269～321H BS .
(1)确定合理的热处理工艺参数
改变热处理工艺,严格控制40Cr 钢的淬火温
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第4期 高为国等:40Cr 钢汽车半轴淬火缺陷分析及热处理工艺改进
度、冷却方式、回火温度,使热处理后的组织细小均匀,有高的硬度、耐磨性和强韧性等性能.
通过试验,确定的热处理工艺及其相应参数如下:①油淬:加热到860℃,保温25min,出油后自行冷却;②水淬:加热到860℃,保温25min,出炉淬入5%～10%(质量分数)盐水冷却;回火加热到580℃,保温70min,出炉空冷.
(2)得到的组织
经过热处理后得到回火索氏体组织.具有较高的强度、硬度、塑性和韧性,即具有良好的综合力学性能.
(3)可以使用一些先进的处理方法
可以进行表面热处理如:离子渗氮处理、中频加热淬火等方法,提高40C r钢的强韧性,从而达到提高40Cr钢汽车半轴的使用寿命的目的.
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Analysis of Quenching Cracking and Improvement of Heat
Treatment Process for Steel40Cr Axle Vehicle
GAO Wei-guo,DONG Li-jun,H U Feng-lan,QIN Bo
(Colleg e of M ech.Eng.,H unan Institute o f Eng ineering,Xiang tan411101,China)
A bstract:According to the actual quenching proce ss of steel40C r ax le vehicle,the m ain reaso ns for its quenching cracking are analyzed.Considering the m ain form s of quenching cracking,three kinds of heat treatment pro cesses are im plemented.Based on the m icro structure state and the hardness data after heat treatment,the final heat treatm ent process and its main param eters are determined.The results sho w that after860℃oil quenching,and then860℃quenching w ith5%to10%of salt w ater co oling and580℃tempering,the streng th and hardness o f the fer rite in steel40Cr are reduced relatively,w hich effectively prevents quenching from cracking and improves the fatigue life.
Key words:axle vehicle;quenching cracking;heat treatment pro cess;mechanical prope rties;microstruc-ture
36 湖南工程学院学报 2008年。