童盛煌毕业论文

本科毕业论文2012届题目感应淬火热处理汽车半轴的金相组织分析试验研究学院机电工程学院专业机械其制造及自动化班级08机自本一班姓名童盛煌学号08113003429指导老师张大伟I感应淬火热处理汽车半轴的金相组织分析试验研究摘要本研究阐释了汽车半轴目前国内外的发展现状和发展趋势以及汽车半轴的一些先进的热处理工艺技术。选择40CR汽车半轴为研究对象，通过对失效的汽车半轴进行断口观察，硬度测量，金相组织分析，力学性能测量等试验研究提出半轴扭转角不足和扭转强度不足的原因，并且通过改善半轴的热处理工艺参数提高汽车半轴的力学性能。然后通过对参数改进后的半轴进行试验来验证半轴失效的原因。通过试验研究得到比较优异的半轴热处理参数。关键词关键词关键词关键词热处理；力学性能；金相组织；40CR；硬度测量IILABORATORYSTUDYONMETALLOGRAPHICCOMPOSITIONOFAUTOMOTIVEAXLEBYINDUCTIONHARDENINGANDHEATTREATMENTABSTRACTEXPOUNDSTHECARHALFSHAFTDEVELOPMENTSTATUSANDDEVELOPMENTTRENDSATHOMEANDABROADANDSOMEADVANCEDHEATTREATMENTPROCESSTECHNOLOGYOFCARHALFSHAFTSELECT40CRCARHALFSHAFTFORTHESTUDY,THROUGHTHESTUDYONFRACTUREOBSERVATION,HARDNESSMEASUREMENT,ANALYSISOFMETALLOGRAPHICORGANIZATIONANDTHEMEASUREMENTOFMECHANICALPROPERTIESTEST,PUTSFORWARDTHECAUSESOFREVERSEANGLESHORTAGEANDTORSIONALSTRENGTHSHORTAGEOFTHECARHALFSHAFT,ANDTHROUGHTHEIMPROVEMENTOFHALFSHAFTHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERTOIMPROVETHECARHALFSHAFTMECHANICSPERFORMANCETHENTHROUGHTHESTUDYONIMPROVEDHALFSHAFTTOVERIFYTHEFAILUREREASONSOFHALFSHAFTACCORDINGTOTHESTUDY,GETAGOODHALFSHAFTHEATTREATMENTPARAMETERSKEYKKKWORDSHEATTREATMENTMECHANICALPROPERTIESMICROSTRUCTURE40CR；HARDNESSMEASUREMENT目录摘要IABSTRACTII1引言211汽车半轴的选材和感应淬火工艺原理212汽车半轴改性国内外发展现状机发展趋势313研究工作的目的和意义514研究的基本内容及与拟解决的主要问题521试验材料及试样622试验设备介绍723试验过程9231汽车半轴试样的热处理工艺9233金相试样加工123试验结果分析1531感应淬火参数分析1532工艺改进前比较分析1732工艺改进后分析比较22321正火工艺轴比较22322冷拔工艺轴比较29323回火工艺比较31324,工艺改进前后工艺比较354结论38致谢39参考文献40附录4121引言11汽车半轴的选材和感应淬火工艺原理汽车半轴是汽车的重要部件，在汽车工况条件下承受自重和货物重量，是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。汽车半轴受到的是轮毂驱动扭矩和车体弯矩，在汽车工作时，半浮式法兰盘的螺钉孔之间拐角和尖角容易发生应力集中，产生疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展而发生断裂，花键和杆的链连接部位、半轴的轴颈部由于截面尺寸较小，花键处和轴处淬硬层深度不同，淬硬层深度在处过度，组织产生拉应力容易发生断裂（见图11、图12），花键承受周期载荷承受疲劳裂纹等失效形式。图11轴颈部斜断图12轴颈部平断汽车零部件大部分已经建立行业标准，在结构上进行改进收效甚微，主流方向是通过合理选材和热处理工艺进行改进。根据国家标准JB5291984汽车半轴技术条件的要求，汽车半轴应备高的强韧性，目前我国比较常用的材料是45、40CR、42CRMO经过以下工艺流程制得下料锻造调质喷丸清理校直机械加工中频感应加热回火磁力探伤校直检查包装注1该工艺流程只作为参考，实际生产中根据情况合理选取选材要求一般为亚共析调质合金钢，这是因为其综合性能良好，调质回火组织为铁素体加回火屈氏体表现为良好的塑韧性，可以满足汽车半轴的冲击载荷工况要求。表面经中频淬火后形成一层淬硬层，成分为回火马氏体和少量的残余奥氏体，显著提高材料的强度硬度抗疲劳能力。近些年来由于汽车安全性能的要求提高45号高逐渐为市场所淘汰，3SCM440H为日系钢种也不经常经常使用，CR、MN、V、TI、B等微量元素合金调质钢成为研究的方向，普通中碳钢加入合金元素后性能可以大幅提高，其原因主要有以下五点一是CR、MO、V等元素减慢了奥氏体化速度，在调质高温回火是起细化晶粒起到细晶强化的作用；二是此类元素容易形成一些特殊类型的碳化物，如CR23C6、CR7C3、VC等产生显著的强化效果，合金钢在高温回火时由于析出了这样一些高度弥撒的碳化物，产生了“二次强化”效应，有效地提高了钢的硬度和耐磨性；三是弥撒强化不仅仅局限于其自身作用的发挥，还会影响C曲线的移动，当过冷奥氏体中含有CR、MO等碳化物形成元素，使C曲线右移，增强过冷奥氏体的稳定性，淬火后一定量的残余奥氏体的存在，因受塑性变形或产生部分马氏体转变使应力松弛，使疲劳裂纹的扩展变得困难；四是提高提高亚共析钢的淬透性，按照JB5291984汽车半轴技术条件要求汽车半轴的淬透层达到半轴半径的0203，根据工厂生产的汽车半轴的规格淬硬层要求达到48MM，一般45钢的最大淬硬层深度是4MM，这显然不能够满足技术要求，40CR的淬硬层可大于6MM可以满足技术要求；五是改变亚共析钢的AC线，实验表明40CR钢的AC1为743，AC3为782，减低淬火、回火温度，起低碳减排的作用，因此选用40CR做为汽车半轴材料具有很大的合理性，符合研究方向。汽车高安全性能，不仅要求半轴材料选择合理，具有较优的力学性能，而且要求热处理工艺适当，特别是表面热处理工艺。传统的整体淬火工艺，淬硬层组织粗大不均，应力集中，造成开裂早期损坏，半轴变形严重，感应淬火虽然前期投资大，但是可以克服传统缺陷，而且由于它的加热速度和冷却速度都很快，使零件的表面至心部有着巨大地温度梯度，而且淬火后零件由表及里存在激烈地组织变化，这些特点决定它有着特殊的残余应力形态。一般地说轴类零件感应淬火后，表面层是残余压应力，次表层和淬火区域边缘是残余拉应力。残余应力地合理分布，能够大大地提高零件强度，特别是疲劳强度。载重车半轴的合理用料，合理选择淬火层的深度及其分布，将能大大地提高半轴的使用寿命。选用40CR钢表面感应淬火作为汽车半轴的表面改性研究，通过分析汽车半轴的生产工艺要求，合金元素在亚共析钢中的作用和对比感应淬火的优点，可以看出本研究课题的应有前景。12汽车半轴改性国内外发展现状机发展趋势当前的国内生产厂商一般选用中碳合金钢为制造原坯料，如40MNB、42CRMO、40CR、40CRH等。热处理工艺一般为调质处理后进行淬火，由于半轴尺寸大，整体进行淬火技术设备要求高并且容易引起零件的变形和造成应力集中，表面开裂，因此国内外普遍采用感应加热对半轴进行淬火。使用于感应热处理的钢材应具备四个方面性能，一是在断时间内快速加热易获得奥氏体组织，二是具有良好的淬透性，三是变形小，不易粹裂，四是具有良好的抗冲击载荷能4力，具有足够的韧性。其中40CR是国内厂商制造汽车半轴的普遍材料，除上述特点外还具有相比较其余材料价格较低，容易热处理，易机械加工（切削，磨削）等优点，制得的汽车半轴具有较优的综合力学性能，40CR依然是未来制造汽车半轴的主要材料。第一汽车集团选用38MNVTI非调质钢作为汽车半轴进行了研究，效果良好，但是38MNVTI非调质钢价格高昂目前不符合市场化的要求。东风汽车公司生产的EQ系列汽车选用40MNB钢作为汽车半轴，其具有材料价格低廉，淬火介质为我国许多厂商生产的聚乙烯醇容易获得等优点，但是40MNB较40CR力学性能还有一定的差距，故只适合用于低吨位汽车半轴。日系车普遍采用SCM440H作为汽车半轴，其性能相当于我国的42CRMO，但是我国的钢铁冶炼技术较国外有一定的差距，故也不不符合汽车半轴材料国产化的要求。欧美系列汽车正在研究铬钼等稀土元素合金钢，但是我国汽车厂商研究条件限制，也不是主流方向，只适合一些研究所的研究方向。感应淬火工艺对半轴寿命影响巨大，由于它的加热速度和冷却速度都很快，使零件的表面至心部有着巨大地温度梯度，而且淬火后零件由表及里存在激烈地组织变化，这些特点决定它有着特殊的残余应力形态。一般地说轴类零件感应淬火后，表面层是残余压应力，次表层和淬火区域边缘是残余拉应力。残余应力地合理分布，能够大大地提高零件强度，特别是疲劳强度。载重车半轴的合理用料，合理选择淬火层的深度及其分布，将能大大地提高半轴的使用寿命。目前普遍采用的感应淬火工艺主要有整体感应淬火和连续感应淬火两种，其中整体感应淬火有大家熟知的“满堂式”多圈感应器,布满全部被加热表面以达到同时加热的目的。另外,近年来又发展了“矩形感应器”,利用横向磁场来加热零件。此法对变截面回转体表面的均匀加热有良好效果,矩形感应器只要按回转体母线大致仿形,则能达到均匀加热的目的，但是由于整体感应淬火投资大，功率高，不适合一般的中小企业。连续加热淬火则所需功率较小,是获得连续均匀淬火层的最常用方法。汽车半轴截面变化很小，其表面淬火只要各工艺参数稳定不变,则能很容易地得到均匀连续加热层。故一般的中小企业适用广泛，本研究也采用该方法，感应淬火原理如图13。5图13感应淬火原理通过观察国内外汽车半轴的研究动态和各种汽车半轴的备选材料的优劣性比较，在可以预期的未来，我国汽车半轴的主要材料仍然是40CR。我国汽车半轴的生产商一般是中小企业，结合我国的资源禀赋和政策导向，相对节能的表面连续淬火工艺也是未来的发展方向。对40CR汽车半轴感应淬火的研究，提高汽车半轴的性能和生产效益具有重要意义。13研究工作的目的和意义目前汽车半轴的感应淬火工艺仍然不成熟，有许多需要改进的地方，半轴的感应淬火技术存在硬度层浅，表面残余应力过大造成开裂，淬火温度受淬火水、油等淬火冷却液回流致淬火温度达不到要求而出现夹杂物偏析，成分不均，个别地方铁素体含量过高等缺陷。除此之外，汽车半轴的各部分会出现特殊的问题，全浮式半轴法兰盘的厚度一般约20MM，为使圆角有7MM以上的硬化层，在中频加热时，法兰盘几乎烧透，淬火后的法兰盘，硬化层以外（沿轴线方向）的全部金属材料均在拉应力作用下（热应力）。这种应力是十分有害的，它与载荷产生的工作应力叠加起来作用于法兰盘上，由于法兰盘上具有韧性的原始组织厚度减伯（硬化层越厚，不淬火的原始组织厚度越薄），使其不足以承受载荷，致使法兰盘早期断裂。花键部分由于受到冲击载荷和剧烈的摩擦磨损，容易造成断齿和磨损，在花键根部和花键与连杆过渡处容易造成开裂。通过汽车半轴的对比试验研究，对失效断裂汽车半轴进行扭转，硬度，金相分析，找到断裂的原因，进而提出改进汽车半轴热处理工艺改进的方法，且与失效半轴比较。在研究实践中掌握失效研究的一般流程和方法即对比研究法，通过对比试验研究一方面可以熟练的使用光学显微镜，电子显微镜，硬度测试仪等常见的金属研究仪器，看懂金相图，根据金相图分析金属机械性能，结合金相图和热处理工艺，提出改进的的方法提高汽车半轴的性能和生产效益，保证汽车安全驾驶。14研究的基本内容及与拟解决的主要问题1）了解实验所用各类试验设备和仪器的工作原理，掌握操作要领；2）确定实验材料，选择扭转强度或断时扭角不足的40CR汽车半轴材料作为研究对象；3）对失效半轴进行剖面硬度测定，确定淬硬层深度并做金相组织观察与分析；4）根据失效分析结果提出常规热处理和感应加热热处理工艺改进措施；5）将改进后的热处理工艺参数应用到新工件的热处理中，通过性能检测验证改进效果；6）熟练应用金相制样设备制备组织观察用试样；7）熟练应用光学金相显微镜和分析软件对试样进行组织分析；8）利用金相组织照片和试验关系曲线说明失效分析结果和感应热处理工艺参数改进后的汽车半轴力学性能6变化；8）给出结果分析与结论。汽车半轴一般是先通过调质处理，再进行表面淬火。由于表面淬火工艺的的不完善和技术上的不成熟，经常会出现淬硬层深度不够，硬度不足，淬火后的组织不均匀不连续产生比较大的残余内应力，从而导致淬火开裂。此外，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,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。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。本研究主要采用试验对比法进行研究分析来获得满足条件的最佳工艺条件。对企业调整淬火工艺后的主轴进行切片，获取实验试样。调整的工艺参数包括淬火电压、淬火前温度、淬火冷却液、淬火水压等，遵守单一参数对比原则制定实验纲领，比较不同工艺条件下的试样，通过光学显微镜，硬度测试仪等设备进行组织对比、性能对比并制成表格，寻找最佳热处理工艺。2试验材料及方法21试验材料及试样本研究试验材料通过编号分成三组详见表21，试验原材料由冠胜集团提供，试验材料取材位置如图21所示，断裂半轴实物图如图22所示。半轴的加工工艺流程为下料锻造喷丸清理校直（正火）中频感应加热低温回火回火磁力探伤校直检查包装注正火为试验对照参数，C组有四根为正火做为对照试验材料选用无损伤的汽车半轴，编号为A、B、C三组，根据实际情况对已经编号的三组汽车半轴再进行详细标号，分别为KA895440CR半轴（编号为A1）和05TCBH242CRMO半轴（编号为A2），还有国外引进的三根原装轴（材质和工艺不详，编号为B1B3），参数改进后的10根轴（标号为C1C10）对其进行扭力试验，完成扭转报告，对扭转失效断裂后的汽车半轴试样采用线切割技术对距断口78MM切下切片进行硬度，金相试验。本实验为系列试验，并不需要全部数据，根据试验需要选用所需试验数据。表21试验分组情况组号数量编号备注A2A1、A2改进前生产的轴B3B1、B2、B3原装进口轴C10C1C10加工参数改进后的轴7图21试样切片位置图22试样切片位置22试验设备介绍A）扭力试验由冠盛集团完成，选用静扭转试验机，设备如图23所示，设备编号为NJ59003,规格为505000NMB）试样切片由线切割机床于断口位置切取，设备如图24所示。C）为防止试验过程中试验材料的混淆，需对试验材料进行标号，试验材料编号由刻字机完成，设备如图25所示，设备编号为ST1D）为便于进行硬度测试和金相观需对样进行打磨，打磨设备如图26所示E）金相观察的需要，需对试样进行抛光，抛光设备如图27所示F）保证金相观察的需要，在抛光时需要用到金相显微镜观察抛光情况，设备如图28所示图23静扭转试验机断口位置试验切片位置试验用切片位置8图24线切割机图25双色刻字机图26磨抛机图27抛光机G）硬度试验选用维氏硬度计，设备型号及所选择参数如下，设备见图29所示1）球直径D25MM,2）试验力保压时间10S3）加载力05KGF4）试验力施加方式自动加卸实验力5）测微鼓轮最小分度值004MM6）试件允许最大高度65MM最大宽度85MM7）主机重量约25KG8）电源AC220V/50HZ9）外型尺寸长宽高405290480MM10）放大倍数40011）使用物境409H）进行金相观察，选用倒置智能数字材料显微镜，型号SN3835000170，设备如图210所示I）对试块进行金相组织的观察，需对试样进行腐蚀还用到试管、量筒、量杯、竹夹等器械J）最终制得的试样如图211所示图28倒置智能数字材料显微镜图29维氏硬度计图210ZEISS金相显微镜图211最终处理后试样23试验过程231汽车半轴试样的热处理工艺本研究对比试验分为三组，编号分组以及对于的热处理工艺如表22所示。10表22编号分组及热处理工艺分组名称备注分组编号对应半轴名称材料工艺正火参数技术要求A工艺改进前生产的半轴A1KA895440CR中频淬火功率5763KW，移动速度1350MM/MIN900，3H晶粒度68级表面硬度5360HRC，硬度层厚度34（测量到HRC40处）。A2057TCBH240CRMO晶粒度大于或等于5级，最小静4500NMB原装进口轴B1GKN235B2襄轴B3C淬火工艺改进后生产的半轴C1KA8954012号轴40CR中频淬火功率8892KW，移动速度1200MM/MIN900，3H晶粒度68级表面硬度5360HRC，硬度层厚度34（测量到HRC40处）。C25号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1100MM/MINC310号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1000MM/MIN11C411号轴中频淬火功率8892KW，移动速度900MM/MINC513号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1120MM/MIN冷拔圆钢不正火C618号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1100MM/MINC720号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1000MM/MINC823号轴中频淬火功率8892KW，移动速度9000MM/MINC9KA895401大2号轴42CRMO中频淬火功率8892KW，移动速度1200MM/MINC10大5号轴中频淬火功率8892KW，移动速度1100MM/MIN12注1表中“”表示其实际情况不详（原装轴）。2除原装轴外回火工艺不详外，其余半轴的回火工艺均为1902H。图212静扭断试验现场233金相试样加工A）试验切片便于金相分析，了解断口附近金相组织和淬硬层硬度、深度，需在断口附近切取分析用试样。线切割的具体过程为将试棒安放在工作台上，用压板和螺栓等零件固定在工作台上，编辑好钼丝所要走的轨迹，手动摇动手柄，将钼丝调到距端口7MM左右的位置，开起电机，冷却液等开始切割。设备如图24。B）试样编号标记为防止在磨抛光中混淆各试块所对应的试棒材料，需金属双色刻字机，在试块侧面先按对应的试棒标号刻好标记。编号详细见表21，设备如图25。C）试样预磨抛光预磨抛光过程是为便于金相观察而设置，使用预磨机和抛光机完成试验，预磨过程需遵守所用预磨砂纸粗糙程度逐层递减原则，按照砂纸颗粒从大到小进行预磨，具体为13240W、320W、800W、1000W、1500W、2000W，预磨过程中要注意尽量避免试验边界圆角产生，并且不断用金相显微镜检查预磨效果。经过2000W的砂纸预磨好后，将试块放入抛光机中抛光。抛光过程，注意要及时添加添加剂CR2O3，让颗粒充分的磨掉前道工序留下的划痕，获得光洁表面。在抛光后先用金相显微镜图28的500X观察是否有划痕和抛光中嵌有磨粒，如有的重新抛光直到得到符合的平面。预磨抛光所用设备见图80、90、100。D）硬度测量使用维氏硬度计测量硬度数据，维氏硬度计见图29，试验参数的选取为加载力05KGF测试力保压时间10S显微镜倍率400维氏硬度计算公式2D85441FHV（21）其中2DDD2122D为压痕平均直径，D1、D2为压痕两条对角线的长度，需要对显微镜测量值进行单位转换，计算单位为MM。F05F为加载力，单位KGF实验过程将试样放上实验一起的载物台上，加载实验力10S，显微镜镜头转盘换位，观察期压痕对角线，调整测微鼓轮记下数值，在试块同一直径从外往心部开始移动，外层每隔025MM测量一次数值，过了淬硬层数值稳定后改为间距05MM测量一次，直到测到直径1/2处，然后将测量后所得的数据用维氏硬度公式算出维氏硬度值，最后参考维氏硬度与洛氏硬度对照表，在所选范围内按照公式23计算各位置所对应的洛氏硬度值。121121HVHVHVHVHRCHRCHRCHRC（23）其中HRC对应洛氏硬度CRC1维氏硬度所在范围对应洛氏硬度的上限值CRC2维氏硬度所在范围对应洛氏硬度的下限值HV1维氏硬度所在范围对应维氏印度的上限值HV2氏硬度所在范围对应维氏印度的下限值HV试验测得维氏硬度14E）压痕的观察及拍照为增加试验数据的可靠性，需要对硬度测量后的试样进行压痕的观察拍照，以便检查硬度测试的正确性。将测过硬度的试块用倒置智能数字材料显微镜（见图210）观察压痕，目镜为10X，物镜为25X和5X，调整粗螺旋焦距，初步获得压痕位置，再调节细校准螺旋焦距获得清晰的压痕，然后调整曝光时间。拍摄的照片见图213、214。图213硬度测试后试样显微照片图214硬度测试后压痕显微照片F）金相试样的腐刻处理金相试验需对试样腐刻处理，增加反光镜的散射效果，便于拍出符合条件的照片。实验内容及要求1）用高浓度的酒精溶液擦拭。方法用镊子或其他干净的加持物加持适量的脱脂棉，将脱脂棉浸入高浓度的酒精溶液，将要擦拭的表面垂直与地面，轻轻地利用棉花上的酒精清晰金相表面上的赃物。操作要求保证擦拭后的表面不留残余液体，防止液体内的酒精里的少量赃物再次弄脏金相表面；所擦拭用的棉花要经常更换，以免棉花在擦拭过后的残留在里面的赃物弄脏金相表面。总之操作过程要做到干净，无残留赃物在要进行金相观察的表面上。2）用4的消酸酒精溶液腐蚀金相表面，从而获得清晰有层次、凹凸明显的金相表面。具体步骤1）用量筒分别量取1ML的硝酸和24ML的酒精，倒入烧杯中配置成4的消酸酒精溶液，注意浓度过低则腐蚀效果不明显，浓度过低则造成腐蚀过度，两者都不利于金相的观察。用同样的方法用脱脂棉浸入配置好的溶液，对要观察的金相表面均匀擦拭，不可划伤表面，擦拭时间为5S左右。擦拭完成后立即将试样放入水中，这里的水要多而且无其他溶质。然后放入水中清洗一段时间后取出，用电吹风将其吹干，如果不是立即观察，则要将试样放入干燥器皿中，保证试样不受氧化，潮湿的问题。G）金相组织观察将腐蚀好的每块试样干燥后放到金相显微镜上观察，拍摄放大倍率为200、500的两组照片，调整粗螺旋焦距，初步获得金相组织。在调节细校准螺旋焦距获得清晰的金15相组织。由于在清晰侵蚀以及磨抛实验过程中会留下一些赃物或者划痕，所以通过设备中的螺杆装置调节显微镜拍摄的淬硬层、过渡层、及心部各2或3张（每个试块总的12张以上），保存照片。将拍照后的照片用相关晶粒分析软件软件进行奥氏体晶粒度、脱碳层进行划分等级并打出报告。3试验结果分析31感应淬火参数分析按照技术要求，有效淬硬层深度（15直径）应达到40HRC，总层深硬度（25直径）应达到20HRC总层深硬度，现归纳总结各式样有效淬硬层所占直径比例、总层深硬度与工艺淬火工艺参数对应关系，见表31表31感应淬火硬度数据系列编号试样直径，MM有效深度距边界距离感应淬火工艺参数有效淬硬层所占直径比例总层深硬度（25）HRCA系列工艺改进KA8954半轴40CRA12350495移动速度1350MM/MIN220034A系列工艺改进后57TCBH2半轴42CRMOA23310495149529B系列进口原装对比轴40CRB12212625282546B22340520222226B31900525276341C系列工艺改进后C12460429移动速度1200MM/MIN1744小于2016KA895401半轴C22420515移动速度1100MM/MIN212822C32400640移动速度1000MM/MIN266756C42500768移动速度900MM/MIN307251C52200402移动速度1200MM/MIN182744C62380410移动速度1100MM/MIN172324C72410465移动速度1000MM/MIN192926C82200650移动1200MM/MIN295556C929004781100MM/MIN164832C1030007381100MM/MIN246028注1表中“”表示对其具体工艺不详2半轴材料、淬火、正火，回火工艺详见表22通过图31，结合表31比较，从有效淬硬层深度和总参数硬度分析可知有效淬硬层所占直径比例除A2外均大于15，热处理工艺总体上是合理的，根据资料显示，当感应淬火功率达（5763）KW时，其表面温度可达到（870890），42CR的AC1为74317，AC3线为782，根据淬火要求，适合的淬火温度一般加热至AC3以上3050，也就是所合理的淬火温度应该为810830之间，过高的淬火温度会造成脱碳，组织粗大等问题，但是根据涡流的肌肤效益与交流电的频率相关公式31可知，适当增大淬火温度可使淬硬层深度增加，又由于汽车半轴截面尺寸和感应线圈于汽车半轴的间隙变化，必然会导致磁力线散射，以及环境温度变化等不可控条件影响，故因适当提高淬火温度，淬硬层深度和淬火时间参数可以由汽车半轴的移动速度来控制。F50031涡流透入深度F交流电频率，单位HZ，试验所用参数为6500HZ公式31适合条件为温度约800图31试验轴有效淬硬层所占直径比例，32工艺改进前比较分析使用原装轴于工艺改进前的半轴进行静扭转试验，试验结果见表3218表32各轴静力学扭转结果编号名称直径最大扭矩，NM断时扭角，A1KA8954工艺改进前半轴2350284966787B1GKN235原装半轴221232175414495B2襄轴原装轴234024816627659B3原装轴名称不详190018230818865由于A2半轴的直径为3310MM与表中半轴相差太大，不具有可比较性故不以列入表40比较。通过比较可知原装半轴的直径虽然比工艺改进前的小，但是其扭转转矩和抗扭强度都比其要大，扭转角也普遍比工艺改进前的大。现从有效淬硬层深度，淬硬层硬度，金相等技术层面上进行分析其原因，以便提出改进方案。比较四根轴的有效淬硬层深度，可见原装轴的淬硬层深度较工艺改进前的高。图32工艺改进和原装轴有效淬硬层所占直径比例比较通过图33可以观察到原装半轴的最大扭矩除B3由于直径比工艺改进前半轴A1小外，在直径相差相近条件下均比比A1大，半轴的最大扭矩于材料的强度硬有关，而提高强度硬度可以通过改进淬硬层方法实现，主要方法有改进淬硬层深度和淬硬层金相组织。工艺改19进感应淬火半轴再线圈中的移动速度为1350MM/MIN，因此同等半轴要提高扭矩需要降低半轴的移动速度。图33工艺改进前和原图34工艺改进前和原装装轴最大扭矩分析轴断时扭角比较图33、图34显示原装轴的最大扭矩在和工艺改进前半轴进行对比，在直径相差不大时B1最大扭矩明显比工艺改进前半轴A1的要大，现通过金相照片比较分析。图35B1淬硬层金相图500X图36A1淬硬层金相图500X现将B1和A1的淬硬层在500倍的金相照片进行比较，从图35、图36可以明显看到原装轴B1的晶粒明显比A1细小，晶粒度要大，图37、图38为B1、A1对应的晶粒度金相检测报告，报告显示原装轴B1的晶粒度为51，工艺改进前半轴A1的晶粒度为42，两者相差明显。B1淬硬层的组织为M隐针A残余20A1淬硬层的组织为M粗针A残余图中灰色颗粒为残余奥氏体。图37B1金相分析报告图38A1金相分析报告淬硬层马氏体晶粒的大小对强度硬度影响很大，一般来说晶粒越细小不仅强度硬度硬度越高，而且塑韧性也同样提高，这是因为随着晶粒度等级的提高，晶界面积相应的提高，晶界中原子的位错畸变严重，裂纹扩展困难，因此强度硬度高，同等的变形，晶粒度越高，晶粒越细小形变应力就越可以分散到各晶粒中因而塑韧性也提高。细晶强化是金属改性的重要手段之一，常见的细晶强化方法有提高过冷度、孕育处理、震动搅拌等方法。感应淬火的加热速度已经很高，提升空间不大，主要要通过冷却方法的改变来提高过冷度。本实验淬火冷却工艺参数见表33。作为工艺方向之一，后组改进轴中冷却温度测试选择2050。表33淬火冷却参数冷却剂质量分数温度压力AQ251（好富顿）353050032MPA21观察图35、图36可知B1的成分较A1的较均匀，这样是起强度硬度较优的原因，夹渣物的存在容易造成均属内部的应力集中，降低其强度硬度以及疲劳抗性，过大的晶粒存在容易造成“软点”同样会降低半轴的性能。通常为了使金属内部的成分均匀的方法为在淬火前增加一道正火工艺，本研究将在改进后的半轴组中对比分析正火与否的半轴性能。图34显示，原装轴的断时扭角都比原装轴要大，扭转断角是汽车半轴的主要性能参数之一，扭转断角大的汽车半轴，抗冲击载荷能力要高。提高汽车半轴的扭转短角，可以提高汽车半轴的安全系数。扭转断角除了与淬硬层用光外，还和半轴心部有关。工艺改进前和原装半轴的硬度对比曲线见图39。硬度图像表明，原装轴的淬硬层硬度明显比工艺改进前的半轴要高，心部硬度比较工艺改进前要低。图39工艺改进前和原装轴硬度比较扭断角除了与淬硬层有关外，还于心部组织有关。图39表明原装轴的扭断角相对较低，比较软的组织起韧性相对来说较好。各轴的心部组织见图310至图31322图310A1心部组织500X图311B1心部组织500X图312B2心部组织500X图313B3心部组织500X各组织对应成分为A1P块状FB1S回火微量块状FB2P块状FB3P块状F通过观察发现原装轴A1的心部组织块状铁素体尖角较多，这样比较容易造成应力集中，降低半轴的扭转断角，原装半轴B2铁素体的相对含量较少，而且渗透在珠光体中，珠光体的综合力学性能较好，铁素体增加了材料的韧性，因而此其扭断角相对来说比较大。原装轴B1组织为回火索氏体和微量的铁素体，成分均匀，总体力学性能量好。原装轴B3铁素体含量较高，而且铁素体尖角组织较少，应力容易分散，因而其扭断角也叫大。原装轴B1因为调质处理过，原装轴B2、B3因为正火处理过，工艺改进前轴也经过正火处理，结合扭断角分析，调质并不能明显提高扭断角，只要选择合适的正火工艺，就可以提高扭断角，改善半轴韧性，提高疲劳抗力。综合分析调质处理过后半轴综合力学性能良好，组织成分均匀，通过改进正火温度23和感应淬火参数可以虽然成分组织不如调质好，但是可以改进力学性能预期达到调质同样的效果。考虑到调质成本和生产效率等实际情况，优先选择改变感应淬火工艺和正火工艺生产汽车半轴。32工艺改进后分析比较321正火工艺轴比较改进工艺见表22、表31，由于本研究选取C1C8为研究对象分析比较，C1C8静扭转结果见表34表34工艺改进后半轴静扭转试验结果标号直径，MM正火工艺回火工艺感应淬火移动速度，MM/MIN最大扭矩，NM断时扭角，C12460900，3H1902H12002925931561C22420110031079415637C32400100032997415694C4250090035013317441C52200冷拔圆钢不正火120027401315C62380110029396314817C7241010003158831573824C822009003305011638在同等条件下比较工艺改进后的性能，随着感应淬火半轴移动速度的减慢最大扭矩有明显的增大趋势，结果见图314。图314正火10CR钢不同淬火移动速度下的最大扭矩比较冷轧圆钢也呈现同样的规律即随着淬火工具移动速度减慢最大扭转扭矩增大25图315冷拔圆钢40CR不同淬火移动速度下最大扭矩比较综合分析图314、图315得出如下规律，即感应淬火每减慢100MM/MIN最大扭矩平均增大20NM。这对应指导感应淬火具有实际意义。图316正火预处理40CR钢半轴不同感应淬火移动速度调节下的断时扭角26断时扭角也呈现同样的规律，即随着感应淬火工件移动速度减缓，断时扭矩增大，见图316、图317。图317冷拔圆钢40CR不同淬火速度下断时扭角比较分析图36、图317可知，正火后的40CR半轴在感应淬火中移动速度1000MM/MIN时其断时扭角有明显增大的趋势，而冷轧圆钢，相对来说增速比较平均。比较C1C4的有效淬硬层深度占直径比率，见图318。27图318正火40CR不同淬火移动速度下有效淬硬层占直径比从图318分析可知有效淬硬层增长较平均，其增长趋势与最大扭矩相似，都呈现较平的增长规律。现比较四根的硬度曲线以便得出企业生产可用的规律。从图319分析可用看出在距边界较近的位置，淬硬层硬度相差不大，但是随着深度的增加淬火优势也明显表象出来，移动速度慢的半轴试验其淬硬层深度相应增加，而且硬度曲线较平稳。C3、C4比较分析，虽然C3的有些淬硬点硬度大于C4，但是其硬度曲线波动明显，尤其是在淬硬层部，个别硬度点明显的低于平均值，有可能是所选金属试验本身夹渣物过多，也有可能是因为在感应淬火时温度不平静，造成个别地方淬火温度不足，淬火组织中残留有未完全熔解的铁素体，出现所谓的淬火软点。进一步比较需要通过金相图像来分析。28图319正火40CR不同淬火移动速度下硬度比较图320对应C1的金相图片，组织成分为M粗针A残余图321对应C2的金相图片，组织成分为M粗针A残余残余奥氏体量减少图320C1淬硬层组织500X图321C2淬硬层组织500X图322对应C3的金相图片，组织成分为M粗针A残余发现在马氏体中有块状的残余奥氏体。29图323对应C4的金相图片，之中成分为M隐针A残余马氏体晶粒细小，残余奥氏体为灰白色小颗粒，夹杂在马氏体基体中。图322C3淬硬层组织500X图323C4淬硬层组织500XC1、C2、C3马氏体组织相差不是很明显，但是C3组织中残余奥氏体显得粗大。C4马氏体晶粒对比C1、C2、C3显得更为细小。四根轴的心部组织相同，见图324、图325、图326、图327，组织成分都为P块状F图324C1心部组织500X图325C2心部组织500X结合图29知断时扭角从C3到C4有明显的越升，而四根轴的心部组织完成一样，淬硬层组织从C3到C4有明显的变化即从粗针状的马氏体变成隐针状的马氏体，而且C3组织中有粗大的残余奥氏体，在硬度曲线中已经反映出了这种规律某些硬度点数值有突然的变低。30图326C3心部组织500X图327C4淬硬层组织粗针状马氏体和隐针状马氏体都属于严重的奥氏体畸变状态，硬度相差不会很明显，但是隐针状马氏体晶粒细小晶粒度分析报告可知C3的晶粒度为40，C4的晶粒度为47，差异明显。晶粒度等级的提高，晶界面积相应的提高，晶界中原子的位错畸变严重，裂纹扩展困难，因此强度硬度高，同等的变形，晶粒度越高，晶粒越细小形变应力就越可以分散到各晶粒中因而塑韧性也提高，因此这也就解释了，图316中的问题为什么断时扭角C3到C4有一个跃变。移动速度1000MM/MIN到900MM/MIN对回火40CR钢汽车半轴的淬火层来说是一个量变到质变的过程，其组织成分将发生明显的变化。322冷拔工艺轴比较现对C5C7做同样过程的分析以佐证前文所做的分析结果。力学分析结果见图317、图318。有效淬硬层所占直径比例见图328。31图328冷拔原钢不同淬火移动参数时有效淬硬层所占直径比例比较图通过图328可以发现冷拔原钢在工艺淬火时，当半轴的移动速度为1000900MM/MIN时有效淬硬层深度所占直径百分比有一个跳跃性变化。对比硬度曲线（见图329）可以发现半轴的移动速度为900MM/MIN时，过度层硬度明显较高，组织过度缓和，淬硬层较深，但是在表层，有些硬度质点的硬度明显偏低，这可能是因为淬火温度过高，表面轻微托碳造成的，拍摄到的金相照片没有发现明显的脱碳层，但是有些部位可以看到脱碳迹象，金相图见图330、图331、图332、图333。图421冷拔圆钢不同淬火移动速度下的硬度曲线32图330C5淬硬层组织500X图331C6淬硬层组织500X图332C7淬硬层组织500X图333C8淬硬层组织500XC5淬硬层组织成分为M粗针片状A残余C6淬硬层组织成分为M粗针A残余C7淬硬层组织成分为M粗针A残余C8淬硬层组织成分为M粗针A残余C5、C6、C7、C8组织成分不多，晶粒度分析结果也相近，金相图中C6、C7黑色块状组织为轻微脱碳迹象，硬度测试结果也表明C6、C7淬硬层的硬度要比C5的小。扭转强度的提高主要通过绝对淬硬层深度来提高。因此对冷拔圆钢，虽然减慢半轴再感应线圈中的移动速度，增加感应淬火温度可以提高力学性能，达到与正火、调质钢相似的参数，但是必然会降低汽车半轴的安全性能。对于中高吨位载重汽车，不提倡如此处理。具体的比较分析结果见下。323回火工艺比较在相同感应淬火速度条件下比较回火预处理与直接冷拔的半轴力学、淬硬层深度、硬33度指标、金相组织等参数，以发现他们的异同，为工业生产做指导。通过图334可知在相同的感应淬火移动速度下，正火处理过的汽车半轴其最大扭矩大，抗扭强度高。前面已经分析，最大扭矩在半轴直径相同条件下，与淬硬层深度和晶粒度有关，有图336可知，结合图318、图328比较分析可知，正火处理增强了半轴原钢的淬火透性，因此对应相关的最大扭矩也相应的提高。同时可以观察到正火提高的最大扭矩不是很明显，所占百分比不是很大（见表35）约55。表35正火提高的最大扭矩百分比感应淬火半轴移动速度120011001000900正火预处理提高材料最大扭矩百分比，635573446594图334正火预处理与冷拔圆钢半轴最大扭矩比较34图335正火预处理与冷拔原钢半轴断时扭角比较表36正火提高的断时扭角百分比百分比感应淬火半轴移动速度120011001000900正火预处理提高材料断时扭角百分比，187553028648通过图334同样可以比较出和表35同样可以得出正火预处理对于提高半轴的静力学性能效果不是很明显，表36甚至出现调质后断时扭角变小的情况，前面已经分析断时扭角主要以淬硬层组织有关。淬硬层的组织为马氏体，增加正火工艺过后，晶粒重新生长，生成较均匀的组织，因此断时扭角较大，见图336、图337综上正火处理可以提高半轴的静力学性能，但是调高的潜力不是很大。35图336C1淬硬层组织500X图337C5淬硬层组织500X图338正火预处理与冷拔40CR硬度比较现通过组织硬度对比分析正火的工艺性能，结果见图338、图339、将C1和C5、C3和C7分组比较，正火处理过的半轴其硬有一定的提高，但是效果不是很明显淬硬层深度具有明显的增加。淬透性增强，这是因为，正火过后可以获得比较均匀的珠光体组织，晶粒较细小，淬火后马氏体遗传正火珠光体的性能，晶粒较细小，韧性较优，由于马氏体晶粒的大小对硬度的影响比较小，故表层硬度差值不是很明显。观察图339可以看出正火过后36的半轴其心部组织硬度较高。金相图340、图341可以看出正火过的半轴心部组织较均匀，铁素体没有呈现尖角状态，这对应减少心部应力提高半轴的疲劳性能具有重要意义。但感应淬火工具移动速度达到900MM/MIN时，表面淬硬层晶粒度发生明显的变化，通过图342、图343分析可知正火后晶粒变得更为细小，这是应为，这合适的范围内提高淬火温度，在冷却介质温度相同的条件下，相当于提高了材料的过冷度，可以起到细化晶粒的作用。图343还表现出脱碳的痕迹，图342成分均匀，无脱碳，这是因为在正火过程中渗碳体充分熔解，使得感应淬火中脱碳现象减轻。图339正火预处理与冷拔40CR硬度比较37图340C3心部组织200X图341C7心部组织200X图342C3淬硬层组织500X图343C7淬硬层组织500X324,工艺改进前后工艺比较A1的预处理工艺为正火，感应淬火移动数的为1350MM/MIN，想过比较结果在“回火感应比较”部分已经做了详细说明分析，不在累赘。而A1和C5C8比较工艺淬火硬度速度、预处理工艺不一样，有两个参数变量，无法从金相组织，无法说明问题，现仅从力学性能和硬度对比分析改进前后的效果。力学性能对比分析见图344，可以分析看出扭矩主要受淬硬层影响，A1虽然正火处理过，但是扭矩性能优势不是很明显，当移动速度小于1100MM/MIN（C5）时可以抵消正火对扭矩性能的影响，这是应为移动速度慢后，温度升到，过热度增大组织将会比较细小，同时淬硬层增大，将会提高扭矩性能，选取A1和C8的淬硬层组织分析，组织表面为正火的半轴淬硬层晶粒紊乱，畸变原中但是成分不如A1均匀，结果见图346、图347。38图344工艺改进前后最大扭矩比较图345表面工艺改进后断时扭角的变化扭矩变化表明未经过正火工艺的半轴断时扭矩要大。选取A1和C8的心部组织，见图348、图349。图345工艺改进前后短时扭角分析39从心部组织分析可知，正火处理后的组织，铁素体熔解，晶粒的尖角变小，组织较均匀，同时铁素体含量相对降低，这也就解释了正火过后断时扭矩变小的原因，因为铁素体为软质点，其韧性很高，心部高含量的铁素体也就提高了断时扭矩。因此单纯从一个指标来分析性能是不可取的。图346A1淬硬层组织500X图347C8淬硬层组织500X图348A1心部组织500X图349C8心部组织500X硬度度比较结果见图350，从图中可以明显看出当淬火速度降低后，淬硬层深度明显调高，但是在表层淬硬层硬度变化不是很明显，结合图346、图347可以看出他们的马氏体组织成分是相同的，只是晶粒度的变化，晶粒度的变化没有明显反应在硬度上。图350可以看到正火预处理的优越性，正火过的A1硬度曲线相对来说比较平稳，没有正火过的冷拔40CR圆钢，硬度曲线波动很大，这是因为为正火的组织成分不均，用于造成夹渣物的析出，但移动速度过小时温度升高，会发生轻微的脱碳，造成个别区域硬度40的突然，但是从曲线趋势来说，淬火温度变高，过热度也增大，残余奥氏体减少，不会出现粗大的晶粒，因此硬度总体较高。图350工艺改进前后硬度对比4结论A淬硬层和心部组织晶粒度综合影响半轴的断时扭角，晶粒度越高，组织越均匀，断时扭角越大。在其余参数不变的情况下正火钢的感应淬火移动速度在1000900MM/MIN时发生淬硬层组织晶粒度跃增情况，晶粒明显变小，相应的断时扭角增大。B）在直径等同的条件下，有效淬硬层深度影响最大扭矩，淬硬层深度越大，失效时断时扭角越大，心部铁素体含量高，断时扭角也增大，冷拔40CR钢心部铁素体含量高，可以获得较优的断时扭角，断时扭角不能单独反应力学性能。冷拔圆钢和正火预处理钢的最大扭矩与感应淬火移动速度的关系均遵守如下规律速度每减小100MM/MIN最大扭矩增大约20NM。C）调整半轴在感应线圈中的移动速度，可以有效提高调高淬硬层在直径的百分比，正火40CR钢速度每降低100MM/MIN，可提高约4个百分比。冷拔圆钢40CR移动速度1000900MM/MIN发生跃变，淬硬层深度变化激烈。41D）未做正火预处理的冷拔圆钢，感应淬火中发生轻微脱碳现象，正火处理过圆钢组织均匀，晶粒度较大，淬硬层深度高。E）静扭转试验表明正火预处理过的半轴各项指标较冷拔圆钢直接淬火的要优，但是效果不是很明显，组织分析结果表明，正火后的组织较均匀细小。因此吨位较低，载重较轻，工况比较良好的汽车，其半轴可以允许使用圆钢直径淬火制取，以降低生产成本，但是工况条件恶劣，吨位较高的汽车，其半轴必须通过正火甚至调质处理来改善组织，提高抗疲劳能力。F）最优热处理工艺是，正火感应淬火，感应淬火半轴移动移动速度为900MM/MIN，使用冷拔圆