30MNVS6转向拉杆长球销缺陷研究

Automobile Technology & Material - - Workshop Solution - 1994—),作者简介:刘凯旋( 男,学士学位,研究方向为金属材料。

1 前言

刘凯旋1,2 唐泽鹏1,2 许正华1,2 席磊1,2 1. 211167; 2. ( 南京工程学院 材料工程学院,南京 江苏省先进结构材料与应用技术重点试验室, 211167)南京 30MNVS6摘要:对非调质钢 转向拉杆长球销在成型过程中部分球销心部产生的缺陷进行X XRD)分析。通过对原材料和缺陷样品进行金相组织、硬度、射线荧光衍射( 、扫描电子显微SEM)镜( 等检测分析,结果发现材料心部硫化物分布较为严重,细长的硫化物在球销成型过程C中受力易形成微裂纹,从而导致缺陷的产生。根据材料的曲线对原材料进行模拟热处理试验,验证在热轧后冷却速度过快,容易产生贝氏体和少量的残余奥氏体,在成型过程中受力使残余奥氏体发生马氏体转变,引发缺陷的形成。 关键词:非调质钢 残余奥氏体 硫化物 相变TG142.1 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20170136中图分类号: 文献标识码:

汽车转向拉杆长球销是保证汽车操纵的稳定性、行驶平顺性、舒适性、安全性及使汽车正确、准确行驶的关键零部件,又称球铰链、球接头、球头销[1- 2]。目前汽车上所用的的球销失效形式有易磨损、易松旷、力矩易丧失等,严重时甚至会威胁到人身安全[3]。40Cr,

传统的球销材料是调质钢 其生产工艺过程大致为:热镦→锻造→机加工→淬火→回火[4-5]。调质后的材料具有优良的冷成型性能和一定的力学性能,满足球销在生产和使用过程中所需的条件[6],由于调质钢耗能高、污染高、工序复杂,所以需要研发新材料来代替传统调质钢。而非调质钢 的主要特点是通过在成分中加入微合金化合金元素铌、钛、钒等与碳、氮非金属元素有强亲合力并形成化合物的元素,在过冷奥氏体中析出并形成弥散强化效果[7- 8]。非调质钢比调质钢的经济性较好,并且对环境造成的的污染小,被世界诸多国家亲睐[9]。许多国外汽车行业都应用非调质钢来制造汽车的曲轴、前轴、球销、连杆等零件[10- 11]。本试30MNVS6验在发现 非调质钢球销的生产过程中部分球销中心位置有缺陷的基础上,对原材料和缺陷样品进行试验分析,对心部有裂纹的现象进行深入研究。

2 试验材料与方法

30MNVS6试验材料为 非调质钢,生产转向拉杆→长球销的基础工艺为:热轧盘条钢(控温控轧) 冷→ / → → → /拔 磷化皂化 冷锻 涡流探伤 滚螺丝滚卡槽→ 1,表面处理。成型后的球销见图 球销杆直径为

18 mm, 22 cm,长度为 对原材料进行化学成分光谱1分析,检测结果见表 。试验通过对原材料进行金MH5L相组织观察、使用 维氏硬度测试仪测试硬度、CS400使用 电子万能试验机进行拉伸试验;对球销整体进行超声波检测,对检测出的缺陷位置通过线GX-51切割精确解剖,并对解剖后样品使用 进行金

3 结果与分析 3.1 原材料检验

4%用 硝酸酒精腐蚀后在金相光学显微镜下观2察显微组织,球销原材料金相组织图片如图 。根GB/T 13299- 91据《 钢的显微组织评定方法》,对原B2材料进行带状组织评级,评级为 级带状组织,原材料组织为铁素体和带状的珠光体,组织较为MH5L均匀。使用 维氏硬度测量仪分别对原材料500 N,试样进行测试,测试加载载荷为 测试结果2如表 所示。 MH5L相采集和 型维氏硬度测量仪测试硬度等测试C技术进行试验分析;根据材料 曲线制定热处理方案,在贝氏体转变区域发生贝氏体转变,热处理工850 oc 0.5 h 400 oc艺为 温度下等温加热 后放入 温度100 s,下快冷 出炉空冷,对模拟试验后的试样进行XRD挤压并对其进行 测试分析。 30MNVS6使用线切割机在 原材料上截取拉伸试CS400样。标准拉伸试样加工完成后,使用 电子万能试验机进行拉伸试验,测得该原材料的力学性能如3表 所示。根据拉伸测试结果,两组原材料测试试样905 MPA 900 MPA,的抗拉强度为 及 满足热轧态后零件抗拉强度的要求,原材料塑性较好符合要求。

3.2 球销缺陷分析

3.2.1 超声波水浸探伤10 MHZ 5试验仪器用探头型号为 、灵敏度为Φ15 mm级、耦合剂为水的情况下对直径为 的含有缺陷的球销进行超声波水浸探伤,观察其内部存3在的裂纹或者缺陷的位置。其探伤结果如图 所1示。可见 处的缺陷较为明显,缺陷存在的深度为7.6 mm, 3 mm缺陷长度为 。针对此处,对试样进行1切割截取 处缺陷来进行测试分析。

3.2.2 金相组织观察和硬度测试在金相光学显微镜下观察显微组织,球销缺陷4处组织图片如图 所示。成型后的球销组织为铁素GB/T 13299- 91体和带状的珠光体。根据《 钢的显C3微组织评定方法》,评级为 级带状组织,组织出现偏析现象,成分不均匀,部分珠光体和铁素体较为粗大,带状较为明显。严重的带状和不均匀组织的零件在成型过程中受力不均,导致缺陷的产生。

图4 球销缺陷处组织图片

MH5L使用 维氏硬度测量仪对球销试样进行测500 N 4试,测试加载载荷为 。测试结果如表 所示。 对圆柱试样进行纵向解剖,观察缺陷试样表面到心部硫化物夹杂物分布的状态,进行图片采集和5 5a数据统计分析。测试结果如图 所示。图 为试11 um样边缘处硫化物的分布情况,长度为 左右, 5b 1/2且分布较少。图 是缺陷试样边缘到心部 处13 um的硫化物分布情况,长度约 左右,硫化物分5c布较多。图为试样心部硫化物分布情况,硫化5~15 um物长度由 不等。硫化物从边缘至心部增多的趋势,硫化物在心部的增多,引发裂纹和缺陷的产生。3.2.3 SEM分析对缺陷试样进行扫描电镜测试,以观察缺陷部位的表面形貌,并对结果中出现的孔洞进行能谱分6a 1 000析,图 所示为缺陷试样边缘部位 倍下背散40 um射图,试样边缘位置存在 左右的硫化物,硫化6b 1 000物呈细条状分布,图 所示为缺陷试样心部20 um倍背散射图,存在约 的硫化物密集分布,且硫

6c 6d 1 500化物有偏聚现象。图 、 分别为 倍下边缘

1/2 3 000至心部 处位置及 倍下心部位置背散射

6d图。图 中可见清晰的珠光体片层,硫化物分布在珠光体附近。根据扫描电镜及能谱分析结果显示,缺陷试样心部存在较多硫化物夹杂,心部硫化物过多且较为细长,导致材料强度降低,在受力过程中容易引起开裂。

图6 缺陷试样扫描电镜测试结果

通过能谱分析测试方法检测硫化物成分,结7果如图 所示。结果显示试样心部的硫化物夹杂MNS, Ti V多为 存在 、 等合金元素。试样心部的硫化锰夹杂分布明显,且颗粒较大,同时心部存在碳偏析和合金元素偏析的现象。

3.3 模拟试验XRD分析

8 30MNVS CCT图 的非调质钢 动态 曲线,在组织奥氏体化后的冷却过程中,冷速过快容易使过冷奥氏体进入贝氏体转变区,所以试验通过热处理控制冷速使过冷奥氏体转变成贝氏体并存在少量的残余奥氏体。对热处理后试样进行挤压和XRD测试,观察残余奥氏体转变情况。 XRD对挤压前和挤压后的试样进行 测试,结9 9a α γ果如图 所示。图 中,峰为铁素体的衍射峰,峰为奥氏体衍射峰,在试验经过热处理后未挤压状态时,试样铁素体峰值较强,有较弱的残余奥氏体衍射峰,试样存在少量的残余奥氏体。对试样9b进行挤压后,图 中奥氏体衍射峰消失,残余奥氏 体发生了转变。热处理后的试样中存在残余奥氏体,在挤压后残余奥氏体消失,在挤压受力条件下,诱导残余奥氏体发生组织转变,马氏体相变时体积增大,内应力较大,在心部组织转变时易产生缺陷导致微裂纹的产生。

3.4 分析与讨论

30MNVS6原材料 作为非调质钢在控锻控冷的条件下,省去了调质,在实际球销零件中探伤检验出缺陷,分析缺陷的组织和硫化物。试验发现零

C3;件纵向组织带状较为严重,带状评级为 纵向面近表面的硫化物较少,心部的硫化物较多且分布不均匀,扫面电镜下的硫化物较为细长,明显降低了材料的塑韧性,心部合金元素偏析。

另外,在不恰当的热轧工艺中,试样冷却速度较快使组织产生贝氏体和少量的残余奥氏体,残余奥氏体会转变成硬度较高的马氏体,组织发生体积上的变化,内应力较大,从而导致缺陷的产生。在合金元素较为偏聚的条件下,使得马氏体转变点( Ms)下降,残余奥氏体更容易转变为马氏体。为证明残余奥氏体的转变,将原材料调整热处理工艺,加快转变区的冷却速度。为使试样存在一定的残余奥氏体,试样在贝氏体转变区域保

XRD温一段时间加快冷却速率,通过 测试后,试样

含有奥氏体峰,证明试样在热处理后存在残余奥氏体。对热处理后的试样进行模拟冷镦试验后, XRD试样硬度明显升高, 测得奥氏体峰消失,此时残余奥氏体消失,说明残余奥氏体在模拟冷镦试验后组织了发生转变。

4 结论

a.通过对原材料和存在缺陷的球销进行试验分析,球销内部组织存在硫化物分布严重较多,根GB/T 10561 A2据 进行级别评定为 级,易引起缺陷的产生。b.模拟试验验证原材料在热轧冷速过快时产生少量残余奥氏体,通过受力过程使残余奥氏体转变成马氏体,引起缺陷和裂纹的产生。

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图1 成型后的球销工

图2 原材料金相组织图片

图5 缺陷试样硫化物分布 ( b)1 000倍背散射下心部位置

c)1500 1/2 ( 倍下边缘至心部 处位置

( a)1 000倍背散射下边缘位置

( d)3000倍下心部位置

c) ( 试样心部

b) 1/2 ( 试样由边缘至心部 处

a) ( 试样边缘

a) ( 能谱分析区域

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