传动轴用高强钢的组织和力学性能分析

段利利

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132000)

传动轴用高强钢的组织和力学性能分析

段利利

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132000)

摘要：采用低碳微合金化、控轧控冷技术相结合，试制了两种强度级别的汽车传动轴轴管用高强钢。通过对高强钢CCT、TTT曲线的模拟及其CCT曲线的实测分析了高强钢的组织构成；通过激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜重点分析了高强钢的显微组织结构；并对高强钢力学性能进行了检测。结论表明：两种钢显微组织均由细小的近等轴状的铁素体构成；两种钢的屈服强度分别达到600 MPa级(C：0.062wt.%，Ti：0.07wt.%，Nb：0.017wt.%)和700MPa级(C：0.043wt.%，Ti0.08wt.%，Nb：0.057wt.%)。

关键词：汽车轴管；轻量化；高强度低合金钢；微合金化

中国汽车产业是持续发展的行业，近两年卡车的销售量呈下滑态势，这使得卡车行业的竞争更加激烈，提高主要部件的寿命、降低成本才能提高行业的竞争力；同时能源短缺和日益恶化的环境状况对卡车行业的轻量化提出更高的要求[1-3]。这样降低油耗、提高燃油经济型、减少排放的根本就是实现轻量化，尤其是当前新能源汽车技术刚刚发展、发动机技术提升空间逐渐缩小的背景下，汽车轻量化成为了传统汽车行业降低成本、节能、减排的主要方法。我国汽车轻量化进程通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化制造技术的集成应用手段在铝合金发动机缸体、转向盘骨架、外覆盖件、高强度钢车身、悬挂件等方面取得了显著成效。但是，在高强度、轻量化卡车传动轴部件的研制开发领域长期以来并未没有引起足够重视，目前已经成为整车轻量化发展进程中的一个薄弱环节[4]。

为了满足一汽集团卡车及J5P、J5M和J6系列车型传动轴对高强度、低成本和轻量化的进一步要求，为汽车传动轴轴管材料的革新提供理论依据。我们按照一汽集团和上海宝钢集团的要求，采用微合金化、控轧控冷技术研发了两种高强度级别的传动轴轴管用钢，引入原汽车传动轴轴管用钢与试制的两种轴管用钢进行对比分析；并通过提高力学性能实现汽车传动轴轴管减薄的目的。目前本次研究所制成的高强钢已经在Φ89×5 mm(9吨系列J3K等)、Φ120×6 mm规格的传动轴总成上得到应用。

1试验材料及方法

本次实验所用材料均取自制造商处的传动轴轴管实体。为便于说明，将原汽车轴管用钢命名为1#钢，试制的汽车轴管用钢分别命名为2#钢和3#钢。三种钢的化学成分如表1所示，2#钢、3#钢采用低碳、微合金的成分设计方法制成，与1#钢相比试制的两种高强钢碳含量较低，2#钢钛含量比1#钢高，3#钢比2#钢的铌含量高。

将原材料按要求成分配比，在氧化转炉中冶炼，出钢后钢水经炉后精炼、连铸成厚度250 mm的板坯，板坯经步进式加热炉中保温，轧制工艺参数如表2所示。试验通过在奥氏体再结晶区粗轧时进行多道次大变形量轧制，保证大的压下率，使奥氏体晶粒充分破碎，同时保证粗轧的结束温度处于完全再结晶区，以避免产生混晶组织。在950 ℃以下非再结晶温度区进行连续精轧，并增加精轧压下率，使奥氏体晶粒充分压扁，在晶粒内部形成滑移带，为铁素体转变时提供更多的形核位置。

表1　三种钢的化学成分　(质量分数/%)

表2　试验用钢的轧制工艺参数

用JMatPro软件计算了两种试验钢的CCT曲线和TTT曲线，对两种高强钢CCT曲线的实测在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室研制的最新热力模拟试验机上进行，试验机型号MMS-300。由于热轧轴管板厚度仅有3.5，无法加工成棒状样进行压缩实验，只能采用小尺寸拉伸试样粘贴应变片的方法测量标注范围内的应变变化，在温度-膨胀量曲线上确定相变点。对不同冷却速度的试样分别进行测试，以此在对数坐标系上来描绘静态CCT曲线。

将线切割切下的金相试样的表面用400#-1600#金相砂纸打磨至平面后用XQ-2BS型金相试样镶嵌机镶嵌，镶嵌后在抛光机上进行机械抛光直至试样表面无划痕，腐蚀后用清水冲洗干净，再用无水酒精冲洗，将样品用无水酒精浸泡并用超声波震荡仪震荡清洗样品，5 min后取出样品。将金相试样在LEXT-OLS3000激光共聚焦显微镜下观察有代表性的组织，采用日本D/max 250 0PC x射线衍射仪分析对金相样品进行物相分析。测试时采用Cu(Kα)辐射，扫描速度采用1°/min，扫描范围为2θ= 20°~ 120°。拉伸试验MTS810材料试验机上进行，在单向静拉伸条件下将拉伸试样拉至断裂，拉伸速度为0.5 mm/min。高强钢拉伸试样尺寸，如图1所示。

图1　高强钢拉伸试样尺寸

2结果与分析

薄板坯连铸连轧技术是一个通过在热轧过程中控制奥氏体转变过程、提高位错密度、改变晶粒形状来实现板材性能的提高和成型的技术。通过控轧控冷、低碳、微合金的办法控制奥氏体转变过程，使轧制后的材料组织细化并具有更好的力学性能。为便于说明，下文所述的1#、2#、3#分别为表2中三种不同成分的高强钢。

2.1　高强钢模拟CCT、TTT曲线及实测CCT曲线的分析

利用JMatPro计算软件分别计算了2#和3#高强钢CCT和TTT曲线如图2和图3所示。由图可以看出两者的CCT、TTT曲线非常接近，这说明两种高强钢可以采用同样的控轧控冷工艺。此外，从这些曲线还可以看出，控轧控冷后得到的产物大部分均为铁素体，如果在控轧后缓慢冷却，则可以得到少量的珠光体组织[5]；如果在控轧后快速冷却，则在转变的后期有少量的贝氏体形成。钢板的卷曲属于等温转变过程，这一过程的产物也主要是以铁素体组织为主。等温转变的温度较低时，才有少量的珠光体或者贝氏体组织出现。两种高强钢在本次轧制工艺条件下，几乎没有可能形成马氏体。

图2　计算获得的CCT曲线

图3　计算获得的TTT曲线

图4和图5分别为两种高强钢实测的CCT曲线。通过与图2中的CCT曲线对比可以发现，这两组曲线虽然细节部分有微小的差异；但是，冷却转变过程的规律基本一致。在一般的热轧生产条件下，经过层流冷却后，两种钢的显微组织主要是由铁素体构成，贝氏体的含量极少。对比2#和3#两种高强钢的CCT曲线，无论是计算的曲线，还是实测的曲线，都可以看出3#钢贝氏体转变区间要宽；也就是说，在同样的冷却条件下，除了铁素体之外，还更能容易获得少量的贝氏体组织，这主要是由于其含有更多的微合金化元素(Nb、Ti)所致[6]。

图4 2#钢实测的CCT曲线图5 3#钢实测的CCT曲线

2.2 高强钢的XRD物相分析

2#、3#高强钢的XRD衍射图谱，如图6所示。XRD图谱显示，两种高强钢中全部为α铁素体。高强钢中微合金元素铌、钛含量均小于1wt.%，碳含量也较低，这使得微合金元素形成的第二相含量较少，XRD衍射分析很难检测出第二相的存在。那么，对于高强钢中的物相种类还需进一步的分析。

图6　高强钢的XRD分析

2.3　激光共聚焦显微镜下高强钢的显微组织分析

高强钢的金相组织形貌如图7所示，箭头为轧制方向。本次实验的终轧温度为875 ℃，与铁素体转变起始线非常接近；卷曲温度为600 ℃，在连续冷却转变曲线中铁素体转变起始线的最下方，这样的轧制工艺设计有助于获得细小的铁素体组织。从图7可以看到，三种高强钢的晶粒沿轧制方向被拉长，1#钢、2#钢的显微组织为铁素体，在2#钢中，铁素体晶界和晶粒内部出现少量的细小的第二相颗粒。3#钢的组织基本上由铁素体和弥散分布的贝氏体组成，3#钢的第二相颗粒集中在晶界处。通过三种钢的晶粒大小的对比，3#钢的组织更加细小，由于2#、3#钢采用相同的轧制工艺，所以可以认为微合金元素Nb的作用是3#钢晶粒细化的主要原因[7]。

图7　高强钢的显微组织(a)1#，(b)2#，(c)3#低倍，(d)3#高倍。RD为轧制方向

2.4　高强钢的拉伸性能

屈服强度是结构钢重要的性能指标，当材料受力达到屈服强度时材料就要发生形变，在实际应用结构钢的变形就意味着相应材料的作废[8]。通过拉伸试验得到三种高强钢的拉伸性能，如表3所示。

表3　三种高强钢的拉伸性能

对比表3中三种高强钢的屈服强度，2#、3#钢的屈服强度分别达到了600 MPa级和700 MPa级。强度与延伸率的普遍关系随着强度的提高延伸率降低[9]。但是2#、3#钢板的延伸率分别达到23%、21%，这说明2#钢、3#钢在强度提高的同时并没有以损失韧性为代价。从数据也可以看出，试制的两种高强钢屈服强度基本和抗拉强度等值，说明屈服强度已经达到最大化。在工业应用上，屈服强度的最大化意味着钢板能够承担更大的工作强度，变向达到了轻量化的目的[10-11]。同时也说明本次试验，通过控制轧制温度来控制钢奥氏体转变过程的方法，已经对材料本身潜质开发到了最大化。

3结论

(1)通过软件模拟发现，两种钢可以采用相同的轧制工艺。通过CCT曲线和TTT曲线的分析确定合理的轧制工艺参数：终轧温度875 ℃，卷曲温度600 ℃。通过对钢的显微组织观察发现，两种高强钢的显微组织为铁素体，700 MPa级高强钢的铁素体晶粒之间存在粒状贝氏体，这样的组织结构可以很好地阻碍位错运动，从而提高屈服强度和抗拉强度。

(2)600 MPa级、700MPa级高强钢实测的屈服强度分别为685 MPa和774 MPa，与原汽车传动轴轴管用钢的屈服强度相比分别提高了约200 MPa和300 MPa。600 MPa级高强钢的延伸率为23%，700 MPa级高强钢的延伸率为21%，由于微合金元素铌、钛的添加，使得两种试验用钢在抗拉强度和屈服强度得到提高的同时，仍然保持一定的韧性。

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The Analysis of the Microstructure and Mechanical Property of High Strength Steel used in Automobile Propeller Shaft

Duan Li-li

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132000)

Abstract：This paper adopts the low carbon microalloyed，control method combining the technology of controlled cooling，and try to make the two strength level of automobile transmission shaft axis work of identity.Through to the HSLA steels of CCTS，TTT curve of simulation and its CCT curve of the measured the HSLA steels of the organization；With a laser confocal microscope，scanning electron microscope，we focus on high strength steel microstructure structure analysis；And we have HSLA steels of mechanical properties were tested.Conclusion shows that the two kinds of steel microstructure is composed of tiny almost equiaxed ferrite；Two kinds of steel yield strength of 600 mpa grade (C：0.062wt.%，Ti：0.07wt.%，Nb：0.017wt.%) respectively and 700 MPa grade (c：0.043wt.%，Ti0.08wt.%，Nb：0.057wt.%)respectively.

Key words：Automobile axle tube；Lightweight；HSLA steels；Micro-alloying

中图分类号：TG1

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0086-05

作者简介：段利利(1987-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学工程训练中心助教，硕士，主要研究方向：金属基复合材料.

收稿日期：2015-09-12