ADI前轴开发探索(1).doc

第五届全国等温淬火（ADI）论文集（2011年8月长春）ADI前轴的开发探索李伟1, 王怀林2, 孙树奎1，应善强1，刘柯军1(1、一汽技术中心，吉林 长春， 130011；2、大连新重集团有限公司，辽宁 大连，116101）摘 要：由于ADI材料具有优异的综合力学性能，在国内外的汽车零件中已得到了广泛的应用，但在重型车前轴的应用尚属首例。本文概述了从材料设计、铸造、热处理、试验分析等各个环节的ADI前轴开发探索历程。关键词：ADI；重型车前轴；开发探索Research and development on the ADI front axleAbstract: The austempered ductile iron(ADI) has been widely used in automobile parts for its outstanding and comprehensive mechanical properties, but it is the first of its kind to be applied to heavy-duty front axle in the world. This paper describes the whole development procedure on ADI front axle，including material design，cast，heat treatment，experimental analysis，etc. Key words: austempered ductile iron, heavy-duty front axle, development.0、前言强韧性兼备的ADI在力学性能上可以和碳钢、合金钢相媲美，实现以铸代锻的技术可行性已有多篇文献和开发实例得到论证1，2，3，应用前景非常广泛。但ADI材料在60吨重型车前轴上的应用在国内、外尚属空白。ADI前轴与锻造前轴相比的优势在于：1、不受前轴大小、形状的限制，易于成形；2、降重约100公斤；3、模具费用低，降低开发成本。我们对ADI前轴进行了近二年的开发探索，取得了较大进展。1、前轴材料的选择前轴是汽车底盘的重要零部件，工作中主要承受着车重和制动的载荷，包括垂直地面和横向的弯曲载荷及扭矩，特别是因道路情况影响会承受巨大的冲击性载荷，是汽车上的安全部件。前轴材料一般采用40Cr或42CrMo锻造并经调质处理。表1是40Cr和42CrMo的力学性能指标1。表2是美国ASTM897M标准ADI的性能指标，我们选择了疲劳强度与40Cr和42CrMo相接近的1050-720-07牌号，与之相对应的国内牌号为QTD1050-6。表1 40Cr和42CrMo的力学性能材料牌号抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）疲劳强度-1（MPa）伸长率A(%)硬度（HBW）40Cr940785422920742CrMo113493050212217表2 美国ASTM897M标准ADI的性能材料牌号抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）疲劳强度-1（MPa）伸长率A(%)硬度（HBW）850-550-10966759450112693211050-720-071139897485103023631200-850-041311110441573414441400-1100-011518124253884771600-1300-001656144934445552、前轴试制2.1铸造美国著名的ADI专家Mr.John R.Keough关于球铁铸件质量对ADI质量的影响有过一段精辟透彻的论述：“必须认识到：等温淬火工艺能把一个好的球铁件变得更卓越，但它却不能把一个劣质的球铁件变好。ADI需要稳定的、高质量的球铁铸件”。因此 ADI前轴首先要求的是优质的球墨铸铁，为保证前轴的铸造质量采用中频感应电炉，废钢加增碳剂的方法熔炼，合金球铁的化学成分，瞬时孕育工艺。树脂砂造型。表3为铸态前轴本体金相组织及单铸试棒力学性能。表3 ADI前轴铸态本体金相组织及单铸试棒力学性能项目石墨抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）伸长率A(%)实测值球化等级为2级，球径大小等级为6级（见图1）8355208图1 ADI前轴石墨形貌 图2 ADI前轴基体组织2.2热处理前轴热处理在苏州AP公司进行，采用美国先进技术设备气氛保护等温热处理炉，严格控制奥氏体化温度、等温温度及冷却速度，确保前轴整体淬透。表4是前轴热处理后的金相组织和力学性能。表4 ADI前轴热处理后金相组织及力学性能项目心部基体组织抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）伸长率A(%)硬度（HBW）本体针状铁素体富碳奥氏体（见图2）108076073352.3喷丸喷丸处理是表面强化工艺的有效手段，特别是对含有相当数量奥氏体的ADI，能有效的提高疲劳强度2，4。另外喷丸能把表面的孔眼类缺陷打出圆角，降低其对应力集中的敏感程度。3台架试验及分析ADI前轴共进行了3轮试验，在前2轮试验中前轴以两种失效模式开裂。前轴的这两种失效模式分别表现出了对铸造缺陷、加工、装配的敏感性，我们对试验中暴露的问题进行了分析并予以改进。前轴在第三轮台架试验通过，甚至其中2根前轴试验次数达到110和130多万次未断。现对二种失效模式论述如下：3.1失效模式1渣眼处开裂3.1.1 5根ADI前轴在弯曲疲劳试验中10万30万次断裂，断裂分别发生在两钢板弹簧座之间、钢板弹簧座以及拳部下方的圆角过渡部位的下侧拉应力区。3.1.2 断裂性质均为单向弯曲疲劳开裂，从断口观察疲劳源均发生在铸造表面的渣眼缺陷处，典型疲劳源特点如图3所示。3.1.3 另外从前轴断口表面存在约4mm厚黑色断口层，如图4所示该黑色断口层位于上型，通过金相观察发现有开花状石墨（见图5），为石墨漂浮缺陷。3.1.4 针对渣眼和石墨漂浮的问题我们采取了以下措施：1）、重新设计了浇冒口系统，使其切实起到挡渣、集渣作用；2）、改进浇注工艺；3）、增加陶瓷过滤片；4）、适当降低浇注温度；5）、适当降低碳当量。疲劳源疲劳源图3 渣眼疲劳源特点黑色断口层图4 前轴断口上的黑色断口层 图5 黑色断口层的开花状石墨3.2失效模式2微动磨损开裂3.2.1前轴销孔部位开裂。3.2.2断口为疲劳断口，疲劳源均位于销孔内壁下侧。观察销孔内表面及主销，发现有磨损、锈蚀痕迹。如图68所示，我们认为该磨损、锈蚀的出现是在弯曲载荷的作用下，主销与销孔之间存在微动磨损。这期间销孔和主销的变形主要发生在弹性变形的范围内，后续随着塑性变形的产生与磨损量的增大，发展成为“点蚀”性质，这与间隙逐步增大有关。3.2.3微动磨损所形成的挤压变形及继而发生的滑动磨损是导致销孔疲劳开裂的主要原因。疲劳源疲劳源图6 微动磨损的前轴断口 图7 销孔内壁磨损痕迹图8 主销磨损痕迹4结束语ADI前轴是国内外对重型汽车大型承载零部件的首次开发探索并通过试验的成功典型。但该产品的产业化是一个系统工程，通过对前轴试制过程的探索及失效模式的分析，我们认为具有优秀铸造质量的ADI前轴是其应用的前提条件，并且后续的热处理、喷丸、加工及装配还有大量的技术问题等待探索。产品设计师、材料工程师、铸造工艺师和热处理工艺师、机械工程师的协同合作与共同努力是促进ADI前轴早日开发成功的重要保证。参考文献1刘光华，王怀林.增压柴油机等温淬火曲轴的开发和应用J.现代铸铁.2007.2：17192王成刚.等温淬火球墨铸铁（ADI）及其在汽车上的应用J.汽车工艺与材料.2003.11：573钱鲁阳.奥贝球铁齿轮弯曲疲劳强度的试验研究J.现代铸铁