使用ADI材料制作汽车前轴梁项目.doc

使用ADI材料制作汽车前轴梁项目一、汽车前轴梁制造现状汽车前轴梁是汽车底盘上最关键的结构件，它上面不仅承担着整个车头的全部重量，还要承载车箱部位分配过来的部分重量，并将这些重量经前轴梁的两端传递到车头部两边的车轮上。汽车行驶时，发生的颠簸震荡、因拐弯和道路斜面的侧倾以及加减速时的附加冲击力等，前轴梁无疑都是要参与承负的主要构件之一。因此，无论设计或是制造，前轴梁均是汽车生产中最须关注的关键件，因为它关系到汽车运行的安全。前轴梁因受力和安装有关零部件的需要，其结构十分复杂，对材料的性能要求极高。通常用强度、韧性都好的40Cr或42CrMo等优质合金结构钢制造，且要经过严格的热处理。目前国内外都用模锻加焊接的方法成形。由于前轴梁属长大部件，锻造它需要大型锻机，这种超大的重型机械，是一笔很大的投资。前轴梁的主截面成工字型，各处附有不同方向的板、柱、管、孔等。主体部分模锻时需要使用多套模具，多次锻造，逐步成形。每锻造一次，就要重新加热一次，也必然会在高温下氧化一次（每次脱落一层氧化皮），不仅加热耗能多，材料烧损也大。更重要的是，整套模具只能锻造2000件工件，而模具的制造费用十分昂贵，一种前轴梁的全套模具费约一百多万元。由于前轴梁上各种附属的块件无法随主体部分一起模锻成型，这就必然需要另行焊接上去，而主体件为中碳的合金钢，中碳钢的焊接性能不好，这又增加了焊接时的制造难度，不仅需要高级焊条，还得采取高、严手段（包括焊缝的热处理）确保焊接质量。二、用ADI材料制作前轴梁的可能性 ADI的名称叫等温淬火球墨铸铁，是上世纪八十年代世界上开始发展起来的一种性能特别优良的球墨铸铁。作为全新应用材料，它是当代高科技的产物。国际上统称为ADI (Austempered Ductile Iron) 意即“奥氏体化等温淬火球墨铸铁”，或简称“等淬球铁”。 ADI的强度、韧性远远高于普通球铁，可以达到甚至超过20CrMnTi、40Cr、35CrMoA等优质合金渗碳钢、调质钢和表面淬火钢。但它同时又是球铁，因此它同时又具有球铁的一切优良而为钢材所不具备的其他性能。由于其组织中有大量石墨球的存在，在切削加工、接触运动和交变应力作用时有自润滑、减震及阻碍微裂纹发展等作用，就使其易于加工、运行噪音低、接触疲劳强度高、抗点蚀能力强、减摩耐磨性好及对缺口敏感性低等。ADI基体组织中有大量高碳残余奥氏体存在，这种组织在250以下非常稳定，不会因其分解而影响工件的性能和尺寸精度。其工作时在接触应力作用的表面极薄层范围内则有应力强化作用发生，即在应力作用下，表面薄层中的残余奥氏体会逐渐分解成稳晶或微晶马氏体，使表面层硬度和综合机械性能大大提高，由此也就同时又增强了耐磨性和其他性能。ADI生产关键技术首先是铸造，其化学成份特别严格，必须使用电炉冶炼，采用高水平的铸造工艺确保球铁组织中的石墨球径细小（78级），球化优良（12级），并应绝对避免气孔、夹渣、夹砂、缩孔、疏松及成份偏析等铸造缺陷的发生。ADI的技术关键其次是热处理。工件热处理的工艺特别严格。因ADI的性能、金相组织和热处理工艺指标相互之间的敏感性极强，故必须具有高水平的技术装备和操作条件才能保证产品质量。我国对ADI有国家标准GB/T247332009规范了其各项性能指标。如牌号为QTD9008的ADI其抗拉强度在900820MPa时，其延伸率在84%；牌号为QTD10506的ADI其抗拉强度在1050970MPa时，其延伸率在63%。工件壁厚越薄，强度和韧性都同时越好。美国对ADI规范的标准（商用指标）比我国要高。如和中国上述两牌号相对应的牌号为ASTM897M90065009的ADI抗拉强度达到966MPa，延伸率达到11%；牌号为ASTM897M105075007的ADI抗拉强度达到1139MPa，延伸率达到10%。当然，均为薄壁工件。前轴梁常用的材料是40Cr或42CrMo，40Cr调质（淬火加高温回火）后的性能为抗拉强度980MPa，延伸率9%；42CrMo调质后的性能为抗拉强度1080MPa，延伸率12%。如降低回火温度，使强度增加，延伸率就会降低。我公司试制厚壁的ADI大型铁路机车传动齿轮，经过国家权威部门的严格测试，抗拉强度1260MPa时，延伸率10.4%；抗拉强度1270MPa时，延伸率8.7%；冲击值在102149（J），平均超过130J。美国相对应的标准是ASTM897M120085004，其抗拉强度为1311MPa，延伸率为7%，冲击值为93J。显然，我公司试制品的延伸率和冲击值都超过美国较多，抗拉强度与美国的接近。但美国是薄壁，我公司是厚壁。如若我公司也做成薄壁的，其各项性能一定会超出美国的更多。即使以美国的ADI商用指标制作前轴梁，其强度、韧性都超过了40Cr，强度也超过了42CrMo，韧性与42CrMo接近。由于前轴梁为薄壁构件，与火车机车的厚壁传动齿轮有很大不同，故薄壁的前轴梁铸件的性能定会比厚壁的齿轮件优越得多，因此，我公司将来如果生产ADI前轴梁，确保其安全可靠性是完全有把握的，其强度和韧性只会比40Cr或42CrMo好。三、用ADI材料制作前轴梁的优越性用ADI材料代合金钢制作前轴梁就目前所知，至少有以下优点：1、ADI组织中存在有大量的均匀分布的球状石墨，这种石墨球边缘光滑，相当于在金属基体上均布着密密麻麻的无数光洁的微小空洞，此类微洞因周边光整不会对基体产生切割性破坏。相反，如果基体上有微裂纹发生，则裂纹的尖细前端遇到空洞就会被阻止而停止发展。如同纱布上的剪口较密实布匹上剪口不易被撕开是一样的道理。正是因为这个特性，在相同强韧性的条件下，ADI对缺口的敏感性远比合金钢低得多，它有着很强的阻碍微裂纹发展的作用。这对受力复杂的前轴梁，尤其是极为宝贵的性能。2、基于上述同样的“孔洞效应”，ADI组织也具有吸收震动波、阻止震动传播的功能，因此ADI的减震、抗震性能远比合金钢构件好。这对前轴梁的使用来说，无疑也是极其宝贵的特性。3、前轴梁上要安装各种零部件，加之整梁各部位有着承力方向、大小不同的需要，因此其结构十分复杂。如前面所叙，用钢材制作，除多次模锻外，还需用焊接拼装，制造过程特别繁琐，程序多，工艺流线长，要保证各局部小构造的准确定位，还得上配装用的工模夹具。如果用ADI制作，只须一次性铸造成型，视精度要求，可采用半精密甚至精密铸造，不仅钢件制造的诸多麻烦均可避免，而且结构精度远比钢件高得多。4、可充分发挥铸造方便的优势，对前轴梁上需要改善受力状况的细微部位可能加上斜块、拉筯、补强板、凸台等什么的，都能视需要任由修改。这种修改，只要能使前轴梁的承力更优化，更合理，即使结构上再复杂一些，也不会增加几多铸造上的成本。另外，还可根据金属切削加工的需要，在梁上增铸加工时方便夹持、定位、测量等用的附属结构，加工完后或切除（切铸铁比切钢容易），或保留，这些也都不会增加太多的造价。5、ADI材料的切削加工比钢材容易，只要选择合适的刀具，加工时不需要润滑，加工费用比钢件便宜。6、ADI的比重比钢件小10%，因此可减轻整车的重量。7、模锻的模具昂贵，而铸模便宜，制造容易。生产多种类、型号各异的前轴梁时，更能在模具投资上体现ADI的优越性。8、ADI经退火和等温淬火后，形状固定，不再变形，能长期保持其结构和尺寸上的精度。而钢构件的稳定性差，在长期使用中变形的可能性较大。四、用ADI材料制作前轴梁的可行性由于ADI是问世不太久的新型材料，对它认识和了解的人不是很多，因此它的使用范围还不是太广。但因其优越的性能，已被越来越多的有识之士大力推广应用。我国长春一汽在汽车制造中已成功地将ADI用于多种零部件上，几年前又开展了对前轴梁用ADI试制的攻关研究，取得了非常好的效果，积累了成熟的经验。我公司通过试制火车机车上的大型ADI传动齿轮，也获得了成功的经验。公司拥有先进的铸造、检测、加工装备，也与中美合资的先进热处理企业确立了良好的合作关系。今后如果大批量生产ADI产品，公司还可自已装备现代化的热处理生产线。公司如果开发ADI前轴梁，一定会与中国先进的汽车制造厂家合作，试制的产品接受用户包括台架试验在内的各项最严格的检测，只有产品的质量完全达到有关标准规定的