微合金非调质钢转向节锻造工艺探讨

0全舍舍仝舍一工艺一微合金非调质钢转向节锻造工艺探讨魏晓晓，唐新民江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心，江西南昌330001摘要转向节是汽车的关键零件之一，在服役过程中将承受弯曲力、扭转力和冲击力等，要求其具有较高的综合力学性能。试验表明，该转向节采用F40MNVS微合金非调质钢制造，并提高其受力最大部位的锻后冷却速度，不仅其综合力学性能可达到要求，还省略了调质工序，缩短了生产周期，降低了生产成本。关键词非调质钢；转向节；控冷技术中图分类号TG316文献标识码B文章编号100816902010060056003FORGINGOFSTEERINGKNUCKLEOFMICROALLOYNONQUENCHEDANDTEMPEREDSTEELWEIXIAOXIAO，TANGXINMINGDEPARTMENTOFPRODUCTDEVELOPMENT，JIANGLINGMOTORSCO，LTD，NANCHANG330001，JIANGXIABSTRACTSTEERINGKNUCKLEISONEOFTHEKEYAUTOMOBILEPARTSANDREQUIREDTOHAVEBETTERCOMPREHENSIVEMECHANICALPROPERTIESBECAUSEITWILLUNDERGOBENDINGFORCE，TWISTINGFORCEANDIMPACTFORCEINSERVICETHEEXPERIMENTALRESUITSSHOWTHATIFTHESTEERINGKNUCKLEISMADEOFF40MNVSMICROALLOYNONQUENCHEDANDTEMPEREDSTEELANDTHECOOLINGRATEISINCREASEDAFTERFORGINGINTHEPOSITIONWHICHWILLUNDERGOTHELARGESTAPPLIEDFORCE，ITSMECHANICALPROPERTIESMAYNOTONLYSATISFYTHEREQUIREMENTBUTALSOTHEQUENCHINGANDTEMPERINGSEQUENCESCANBEOMITTED，THEREFORETHEPRODUCTIONPERIODSHORTENEDANDTHEPRODUCTIONCOSTDECREASEDKEYWORDSNONQUENCHEDANDTEMPEREDSTEEL；STEERINGKNUCKLE；CONTROLLEDCOOLING微合金非调质钢是一种集锻造与热处理为一体、省略了调质工序的新型节能结构材料。由于其具有较好的切削性能，可减少工件扭曲矫正工作量，降低能耗和生产成本，因此在汽车制造业中得到了广泛的应用。目前，非调质钢锻件使用最多的机械部件是汽车发动机上的曲轴和连杆。如采用非调质微合金锻件用钢制作曲轴的有德国VOLKSWAGEN和DAIMLERBENS汽车；制作连杆的有欧洲福特汽车公司、三菱汽车公司和丰田HONDA公司；瑞典VOLVO汽车的连杆和曲轴也都采用非调质钢制造；而日本目前90以上的曲轴、连杆均采用非调质钢制作。我国汽车工业对非调质钢的研制也有二十多年的历史，然而其应用情况和发展速度仍不甚理想。本文对一种适用于汽车转向节的F4OMNVS微合金非调质钢进行了锻造工艺试验，探讨锻造工艺对锻件显微组织及力学性能的影响，推荐一种非调质钢锻件的最佳锻造工艺。1转向节用钢的化学成分及力学性能要求转向节是汽车前轴与车轮之间的关键连接件，既要承受汽车在行驶中上下摆动的弯曲力，地面的反作用力，转向时的扭转力，还要承受汽车刹车特别是急刹车时的冲击力，所以要求其既具有一定的抗拉强度和屈服强度，还要有较高的塑性和韧性。依据转向节的服役条件，选用F40MNVS微合金非调质钢制作，其化学成分见表1，其中NIMOCRNB060。从表1可以看出，F4OMNVS钢属中碳微合金非调质钢，钢中锰和硅主要起固溶强化的作用；钒主要是在加热时起阻碍奥氏体晶粒长大并在冷却时形成收稿日期20091222作者简介魏晓晓1986一，女，湖北公安人，2008年毕业于武汉科技大学金属材料工程专业，工程师，主要从事微合金非调质钢、高强度钢板项目的研究，以及进口件国产化管理、标准件扭转试验和非标紧固件的相关工作。联系电话0791526827313576064298，EMAILXWEI3JMECONCN56热处理2010年第25卷第6期表1F40MNVS钢的化学成份质量分数，TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFF4OMNVSSTEEL碳化物阻碍珠光体晶粒长大的作用；钢中S含量相对较高，而S的存在将会在晶内形成硫化铁，从而细化晶粒，提高锻件强度，还能大大改善工件的切削性能。因此F40MNVS钢能满足转向节的服役要求。F40MNVS钢热轧状态的力学性能要求见表2。表2热轧态F40MNVS钢的力学性能要求TABLE2MECHANICALPROPERTYREQUIREMENTSFORHOTROLLEDF40MNVSSTEEL汽车转向节锻件的力学性能必需达到R800MPA；RPO2I550MPA；12；ZI30；OKI20JCM；硬度262302HB。2锻造工艺试验非调质钢的强度和硬度受先共析铁素体含量及沉淀强化能力控制，韧性取决于先共析铁素体的析出量、形态和晶粒尺寸。因此，为了提高非调质钢强度，保持较好塑性和韧性，获得良好的综合力学性能，除了适当控制钢的成分和提高钢的纯净度外，在工艺上应采取相应的措施，细化奥氏体晶粒，加上适当控制冷速，即通过控锻控冷来达到控制锻件力学性能的目的。我们依据钢种的临界参数，结合锻造厂的实际生产条件，制定了不同的锻造工艺方案，经几次试验后，确定了F40MNVS钢最佳锻造工艺参数，见表3。F40MNVS钢锻造工艺流程如下下料一中频加热一预锻一终锻一切边局部冷却一控冷线控制冷却一堆冷一喷丸一检测一入库表3F40MNVS钢的锻造工艺参数TABLE3FORGINGPROCESSPARAMETERSFORF40MNVSSTEEL对此转向节的CAE模拟分析表明，转向节杆根部受力最大达到518MPA，而其他部位受力均为217350MPA，见图1。为了满足转向节服役条件下的受力要求，就要在应力最大处进行快速冷却，以提高转向节杆根部的强度和硬度，而其他部位则按常规方式冷却，保证有足够的强度即可。由于转向节杆根部处受力大，且此处截面积又较大，所以采用了分段CONTOURPLOTSTRESSVONMISES，MAXANALYSISSYSTEMSIRPIEAVERAGE4149E02鹾2305E09221E0冷却的方法，加大根部的冷却速度，这样就可以提高转向节杆根部的硬度和强度。具体做法是在控冷线入口处增加一个吹气小管，对转向节杆根部进行局部冷却，并采用红外测温仪测控转向节杆根部的转变温度，待锻件局部温度冷却到700左右时及时将锻件送进控冷线进行控制冷却。该锻造工艺经过多次试验后，基本上达到了所需要的分段硬度和强度。SUBCA|ECORNEMN6T,2GSUV4X4CONTOURPLOT图1转向节的CAE模拟分析应力图FIG1CAESIMULATEDSTRESSDIAGRAMOFSTEERINGKNUCKLE热处理2010年第25卷第6期573试验结果及内在质量检测非调质钢转向节锻件进行上述工艺试验后，按GB228抗拉及GBT22994冲击取样进行了力学性能和金相检测。试验结果见表4表明，锻件的抗拉强度达到880MPA以上，屈服强度也高达600MPA左右，冲击韧度为20JCM左右；其局部冷却区域的硬度为283HB以上，比原来用常规冷却方式得到的硬度要高20HB。其显微组织为珠光体半网状铁素体，晶粒度45级。显微组织见图2，硬度测量结果见图3。表4F4OMNVS非调质钢转向节锻件的力学性能TABLE4MECHANICALPROPERTIESOFASFORGEDSTEERINGKNUCKLEOFF4OMNVSSTEELL0O50O图2F4OMNVS非调质钢转向节试样的显微组织FIG2MICROSTRUCTUREOFSTEERINGKNUCKLEOFF40MNVSSTEEL图3转向节锻后硬度测量结果FIG3HARDNESSVALUESMEASUREDONASFORGEDSTEERINGKNUCKLE4控冷装备的改进工件锻后冷却速度的大小对锻件性能的影响非常大。由于自然冷却不能有效控制非调质钢的锻后冷却速度，必须增加一条控冷线来保证锻件的冷却速度。对分段冷却工艺更要采用相应的辅助设备来保证局部冷却速度的稳定性和一致性。为了保证达到分段冷却的要求，设置了一个不受季节影响的冷却装置，对局部冷却用的吹气小管采用了专门固定装置，以保证吹风口与工件关键点相对应，从而有效地保证了局部冷却区域的强度和硬度，并兼顾了锻件的整体冷却。通过开发控锻一控冷技术，采用新的锻造工艺与控冷设备，可确保规模化工业生产条件下F40MNVS非调质钢转向节锻件质量稳定。5经济效益分析采用非调质钢代替调质钢制造汽车转向节，可降低生产成本，提高经济效益。其主要表现在以下两个方面引。1采用非调质钢制造转向节，可省略锻坯的调质处理和表面喷丸处理工序，缩短生产周期，降低废品率，从而达到降低生产成本的目的。2由于非调质钢锻件表面硬度均匀，同时适量的硫元素的加入显著改善了锻坯的切削性能，从而延长了刀具的使用寿命，提高了生产率，降低了制造成本。6结束语F40MNVS钢制作的转向节锻坯，其各项性能指标均达到了汽车转向节的性能要求，完全可以代替调质钢制造汽车转向节。目前，该非调质钢转向节正在进行台架耐久试验和疲劳