李志俊,袁夢(mèng)琦,陳 杉,張建強(qiáng),呂中惠,郭云鵬

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014000)

300M鋼(材料牌號(hào)40CrNi2Si2MoVA)材料是美國(guó)國(guó)際鎳公司于1952年研制的一種中碳低合金超高強(qiáng)度鋼,具有強(qiáng)度高、橫向塑性高、斷裂韌性高、疲勞性能優(yōu)良、抗應(yīng)力腐蝕性能好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架[1-2]。選擇300M鋼材料應(yīng)用于特種車輛傳動(dòng)軸制造,也旨在取之高強(qiáng)度、高淬透性的性能和熱處理工藝性優(yōu)勢(shì),但經(jīng)過(guò)前期應(yīng)用試驗(yàn)顯示,傳動(dòng)軸的使用性能需求與飛機(jī)起落架還是有一定的區(qū)別,特種車輛高承載傳動(dòng)軸為典型的齒輪軸結(jié)構(gòu),中間部位為齒輪輸入扭矩連接,兩側(cè)均為輸出花鍵連接,使用工況復(fù)雜,使用過(guò)程中承受旋轉(zhuǎn)和彎曲載荷作用,尤其是在高輻低頻載荷下要求極高的抗疲勞性能,這種特殊的結(jié)構(gòu)和工況在國(guó)內(nèi)外同領(lǐng)域內(nèi)少有研究,要求傳動(dòng)軸在高強(qiáng)度、高韌性及良好的綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,還需具備低的缺口敏感性、高的應(yīng)力吸收能力、適應(yīng)的表面應(yīng)力狀態(tài)、高可靠性的抗疲勞制造工藝等,完全照搬飛機(jī)起落架熱處理規(guī)范不一定是最佳選擇。國(guó)內(nèi)外對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼研究已經(jīng)十分深入[3-10],主要集中在飛機(jī)起落架制造方面,在傳動(dòng)軸制造方面研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此,需要對(duì)特種車輛300M鋼傳動(dòng)軸零件開(kāi)展專項(xiàng)熱處理工藝研究,提高傳動(dòng)軸使用壽命,提升特種車輛性能和可靠性。

針對(duì)特種車輛傳動(dòng)軸的使用特點(diǎn),因300M鋼材料的淬火溫度屬其固有工藝性能,與本產(chǎn)品沒(méi)有直接關(guān)聯(lián),因此,熱處理工藝試驗(yàn)將通過(guò)適當(dāng)調(diào)整回火溫度,研究不同回火溫度對(duì)硬度、拉伸、沖擊和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的影響,得出相應(yīng)性能隨熱處理參數(shù)的變化規(guī)律,優(yōu)選熱處理工藝參數(shù)為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

原材料采用真空電弧熔煉技術(shù),材料規(guī)格為φ75 mm×1 150 mm。原材料鋼棒經(jīng)正火(925 ℃,4 h)、高溫回火(700 ℃,5 h)、預(yù)備熱處理,以改善切削加工性能,經(jīng)過(guò)車床加工為φ60 mm×150 mm的棒材,進(jìn)行熱處理后檢測(cè)力學(xué)性能。從采購(gòu)的300M鋼原材料中隨機(jī)選擇,制作3根15 mm×15 mm×30 mm試樣,編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016原子發(fā)射光譜法檢測(cè)材料的化學(xué)成分,成分結(jié)果見(jiàn)表1,均在標(biāo)準(zhǔn)值要求范圍內(nèi)。

表1 化學(xué)成分

1.1 熱處理工藝制度

熱處理工藝制度是工藝流程中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié),使300M鋼材料獲得高強(qiáng)度、高韌性、良好的綜合力學(xué)性能及高可靠性的抗疲勞性能等。試樣先經(jīng)870 ℃加熱2 h,隨后在200～350 ℃內(nèi)以50 ℃為間隔進(jìn)行回火,回火時(shí)間3 h,分為不回火、一次回火工藝和兩次回火工藝,熱處理工藝制度如圖1所示。

圖1 不同回火溫度工藝制度

1.2 試樣性能測(cè)試及試驗(yàn)方法

φ60 mm×150 mm的棒材按上述9種回火溫度工藝制度,各制作3個(gè)拉伸試樣、5個(gè)沖擊試樣,拉伸試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2007加工并測(cè)試,標(biāo)稱寬度為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,拉伸試驗(yàn)設(shè)備采用WDW-300C型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。沖擊試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007加工并測(cè)試,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,在長(zhǎng)度中間位置開(kāi)U型缺口,缺口高度為2 mm,缺口根部直徑為1 mm,沖擊試驗(yàn)設(shè)備采用PIT沖擊試驗(yàn)機(jī)。硬度試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1—2018檢測(cè),直接在φ60 mm×150 mm的棒材端面檢測(cè),硬度檢測(cè)設(shè)備采用HR-150A洛氏硬度計(jì)。拉伸、沖擊、硬度測(cè)試試驗(yàn)溫度均為室溫。

不同熱處理狀態(tài)(9種回火工藝制度)分別制作2件旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示),進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》進(jìn)行,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備采用QBW-6000J型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)應(yīng)力按屈服強(qiáng)度的1/3～1/2,結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)應(yīng)力選擇900 MPa,為四點(diǎn)加力試驗(yàn)方式(見(jiàn)圖3),試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲試樣結(jié)構(gòu)示意圖

說(shuō)明:

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

回火工藝不同極有可能影響其最終組織,主要包括馬氏體和殘余奧氏體、碳化物的形態(tài)分布等,從而影響最終性能。下面詳細(xì)分析回火工藝對(duì)組織和力學(xué)性能的影響。

2.1 金相組織

對(duì)于300M鋼來(lái)說(shuō),其化學(xué)成分設(shè)計(jì)中添加硅元素,硅能阻礙鋼中碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)變,而使鋼的回火溫度提高至320 ℃。因此300M鋼在未回火、二次200 ℃回火、一次250 ℃回火、兩次250 ℃回火、兩次350 ℃回火時(shí),金相組織通過(guò)光學(xué)顯微鏡,確定為回火屈氏體;在一次200 ℃回火、一次300 ℃回火、兩次300 ℃回火時(shí),金相組織通過(guò)光學(xué)顯微鏡,確定為馬氏體+殘余奧氏體;在一次350 ℃回火時(shí),金相組織通過(guò)光學(xué)顯微鏡,確定為回火馬氏體+殘余奧氏體。不同回火工藝處理后金相組織圖片如圖4所示。

a)金相組織為回火屈氏體(淬火870 ℃+2 h)

2.2 力學(xué)性能

按9種不同回火溫度分別制作屈服強(qiáng)度試樣3件、抗拉強(qiáng)度試樣3件、延伸率試樣3件、斷面收縮率試樣3件、沖擊功試樣5件和硬度試樣1件,不同回火工藝處理后試樣對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度(Rp0.2)、抗拉強(qiáng)度(Rm)、延伸率(A)、斷面收縮率(Z)、沖擊功(KU2)和硬度的檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表2～表7。

表2 不同回火溫度下屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表3 不同回火溫度下抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表4 不同回火溫度下延伸率檢測(cè)結(jié)果

表5 不同回火溫度下斷面收縮率檢測(cè)結(jié)果

表6 不同回火溫度下沖擊功檢測(cè)結(jié)果

表7 不同回火溫度下硬度檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)上述數(shù)據(jù),采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”方式梳理后見(jiàn)表8。

表8 數(shù)據(jù)梳理后不同熱處理下力學(xué)性能、硬度

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪圖,將各組溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)全部繪出,連接各組數(shù)據(jù)的平均值,分析各性能數(shù)據(jù)隨溫度的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5～圖7)。

圖5 強(qiáng)度與回火工藝的關(guān)系

由圖5可知,未回火時(shí),試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于回火后試樣的強(qiáng)度。一次回火后,試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均降低,二次回火后,試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)進(jìn)一步降低趨勢(shì)。當(dāng)一次回火時(shí),隨回火溫度升高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降低后升高。當(dāng)二次回火時(shí),隨回火溫度升高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低。

由圖6可知,未回火時(shí),試樣斷面收縮率明顯低于回火后試樣;未回火時(shí),試樣延伸率為8.5%±0.5%,回火后,延伸率范圍為7.5%～12.0%。一次回火后,隨回火溫度升高,試樣斷面收縮率先升高后降低,延伸率先降低后升高。二次回火后,隨回火溫度升高,試樣斷面收縮率升高,延伸率先升高后降低。

圖6 延伸率和斷面收縮率與回火工藝的關(guān)系

由圖7可知,未回火時(shí),試樣沖擊功明顯低于回火后試樣;未回火時(shí),試樣的硬度明顯高于回火后試樣。一次回火后,隨回火溫度升高,試樣沖擊功逐漸升高,硬度先降低后升高。二次回火后,隨回火溫度升高,試樣沖擊功先升高后降低,硬度逐漸降低。

圖7 沖擊功和硬度與回火工藝的關(guān)系

2.3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

按9種不同回火熱處理工藝,每種制作2件試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 300M鋼材料試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)壽命

表9 300M鋼材料試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)壽命

由表9和圖8可知,未回火時(shí),試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)明顯低于回火溫度200～300 ℃的試樣,高于回火溫度350 ℃的試樣,一次回火后,隨回火溫度升高,試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)逐漸降低,在回火溫度350 ℃時(shí)降幅較大。二次回火后,隨回火溫度升高,試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),回火溫度300 ℃時(shí),循環(huán)次數(shù)最多。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述試驗(yàn)研究形成結(jié)論如下。

1)300M鋼未回火時(shí),材料的沖擊功和斷面收縮率顯著低于標(biāo)準(zhǔn)值,此時(shí)材料性能不能滿足產(chǎn)品使用要求;回火后,強(qiáng)度有所降低,但是斷面收縮率和沖擊功明顯升高。

2)回火溫度在200～350 ℃時(shí),隨回火溫度升高,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度值相差不大,均在標(biāo)準(zhǔn)值以上;延伸率、斷面收縮率數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。一次回火時(shí),隨回火溫度升高,沖擊功逐漸升高;二次回火時(shí),隨回火溫度升高,沖擊功先增加后降低。

3)未回火時(shí),旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)平均循環(huán)次數(shù)為643 703次,遠(yuǎn)低于試樣在200～300 ℃回火時(shí)性能;當(dāng)試樣在350 ℃回火時(shí),旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)下降明顯。其中,回火溫度為300 ℃時(shí)進(jìn)行回火旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)平均循環(huán)次數(shù)最高,達(dá)到8 318 989次。

綜上所述,推薦熱處理工藝參數(shù)采用淬火溫度870 ℃,之后進(jìn)行兩次回火,回火溫度為300 ℃。