淺談傳動(dòng)軸40cr鋼的針束狀異常組織

淺談傳動(dòng)軸40cr鋼的針束狀異常組織

1中碳鋼傳動(dòng)軸近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量增加，對(duì)汽車(chē)零部件的需求日益增長(zhǎng)。尤其是對(duì)車(chē)輛傳動(dòng)軸的需求。軸是機(jī)器中最基本的零件之一,也是關(guān)鍵零件,它直接影響機(jī)器的精度和壽命。依據(jù)承受載荷的不同,軸可以分為轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸和心軸三種。其中傳動(dòng)軸是只傳遞轉(zhuǎn)矩,不承受彎矩或承受彎矩較小的軸,如汽車(chē)的傳動(dòng)軸等。對(duì)于傳動(dòng)軸類(lèi)零件一般要求具有較好的綜合力學(xué)性能,較高的硬度和耐磨性以及較高的疲勞強(qiáng)度等性能要求。中碳合金鋼40Cr鋼是普遍使用的傳動(dòng)軸的原材料之一,這類(lèi)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,具有較好的綜合機(jī)械性能。然而在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),當(dāng)軸徑大于100mm的傳動(dòng)軸在淬火后經(jīng)常出現(xiàn)異常組織,如圖1中箭頭所示。異常組織常出現(xiàn)在傳動(dòng)軸的次表面及心部,表現(xiàn)為沿晶界大致平行的單針鐵素體或多針束狀鐵素體。異常組織的出現(xiàn),使得傳動(dòng)軸的性能大幅下降,壽命大幅降低。本文將從形態(tài)特征和亞結(jié)構(gòu)等方面對(duì)40Gr傳動(dòng)軸淬火異常組織進(jìn)行分析,從而確定其組織及產(chǎn)生的主要原因,從而通過(guò)修改熱處理工藝來(lái)避免異常組織的出現(xiàn)。2實(shí)驗(yàn)材料和方法2.1傳動(dòng)軸冷卻溫度實(shí)驗(yàn)原材料為40Cr,直徑為Ф110mm的傳動(dòng)軸。其化學(xué)成分含量(wt.%)如下:C0.37~0.44,Si0.17~0.37,Mn0.50~0.80,Cr0.80~1.10,Ni≤0.030,P≤0.035,S≤0.035,Cu≤0.030,余量為Fe,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。傳動(dòng)軸的淬火溫度為850℃,用2%PAG淬火液冷卻。按照力學(xué)性能要求,40Cr傳動(dòng)軸應(yīng)該進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,組織為回火索氏體,允許有少量的鐵素體存在。2.2金相組織觀察用NikonEPIPHOT300型金相顯微鏡觀察40Cr傳動(dòng)軸的金相組織;用JSM-6380LA型掃描電子顯微鏡和VeecoDIMultimode型原子力顯微鏡觀察其微觀組織形貌。3結(jié)果與分析3.1異常的針頭跟蹤3.1.1針束狀異常組織的分離圖2為掃描電子顯微鏡下40Cr傳動(dòng)軸針束狀異常組織的微觀形貌圖。從圖2(a)中可以清楚看到40Cr傳動(dòng)軸在淬火后除了出現(xiàn)馬氏體(M)組織外,沿晶界還析出了粗大針束狀的異常組織。異常組織中針的位向大致平行,長(zhǎng)針幾乎橫貫整個(gè)晶粒,在晶粒內(nèi)部和晶界處都沒(méi)有碳化物存在。在450℃回火1h后,針束狀異常組織中無(wú)碳化物析出,馬氏體組織也未出現(xiàn)分解,與淬火后的組織相比變化不大,見(jiàn)圖2(b)所示。在600℃回火2h后,組織中仍可以清楚地看到粗大的針從晶界開(kāi)始插入晶粒內(nèi)部,針束中沒(méi)有碳化物出現(xiàn),而其他區(qū)域則可以清楚地看到回火后的索氏體組織,見(jiàn)圖2(c)所示。3.1.2鐵素體針的組織分析為了更清晰更立體地觀察分析針束狀異常組織的微觀特征,通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)對(duì)40Cr傳動(dòng)軸針束狀異常組織進(jìn)行了觀察分析。在原子力顯微鏡下,圖像中深色部分已經(jīng)被腐蝕掉,是鐵素體針束;淺色部分較耐腐蝕,為馬氏體組織,可能有少部分的殘余奧氏體。圖3(a)、(b)、(c)為40Cr傳動(dòng)軸針束狀異常組織根部局部放大后的形貌。從圖中可以看到:鐵素體針的長(zhǎng)度不盡相同,針束是沿奧氏體晶界成長(zhǎng)的;鐵素體針束的根部組織不相連。進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn):鐵素體針的根部區(qū)域有部分難于腐蝕的凸起,見(jiàn)圖3(b)中箭頭所示;粗大的鐵素體針由許多泡狀凸起的亞單元構(gòu)成,泡狀凸起的形狀不規(guī)則,大小不一致,見(jiàn)圖3(c)所示。圖3(d)、(e)、(f)為40Cr傳動(dòng)軸經(jīng)600℃回火2h后顯微組織圖。可以看出,經(jīng)過(guò)回火處理后馬氏體已經(jīng)開(kāi)始分解,形成連續(xù)的峰狀突起;鐵素體針的根部,靠近馬氏體的部位也有一些顆粒狀凸起,與馬氏體分解的部位有些相似,見(jiàn)圖3(e)、(f)中箭頭所示。這些少量的顆粒狀凸起物可能是在鐵素體針形核時(shí),此處的碳來(lái)不及擴(kuò)散,作為高碳的奧氏體保留了下來(lái),在以后的冷卻過(guò)程中進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū),發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變,形成了馬氏體而保留下來(lái)。針對(duì)40Cr傳動(dòng)軸中單針狀異常組織的微觀形貌也進(jìn)行了AFM分析,見(jiàn)圖4所示。從圖中可以看到:單針狀鐵素體的根部也存在少量凸起,形態(tài)與周?chē)鸟R氏體相似,并且位置較靠近周?chē)鸟R氏體;針尖部位與針束狀的異常組織形貌相同,都是由泡狀凸起的亞結(jié)構(gòu)組成,針的周?chē)邱R氏體。因此可以確定,40Cr傳動(dòng)軸中單針狀和針束狀鐵素體異常組織是同一種組織,之所以形成單針或針束,可能是因?yàn)樘紳舛炔痪鶆?形核率不同,形核數(shù)量不相同所致。3.2中溫過(guò)渡性轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的成分通過(guò)圖2、圖3、圖4可以判定,40Cr傳動(dòng)軸異常組織中粗大的鐵素體針是從原奧氏體晶界開(kāi)始形核長(zhǎng)大,插入晶粒內(nèi)部的;針狀鐵素體是由一些邊緣形狀不規(guī)則的泡狀亞單元組成,亞單元由更細(xì)的超細(xì)亞單元構(gòu)成;在粗大的鐵素體針束周?chē)嬖隈R氏體組織。粗針狀的鐵素體組織與鐵素體魏氏組織十分類(lèi)似。鐵素體魏氏組織是過(guò)熱的奧氏體組織在中溫區(qū)的上部區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚓?nèi)生長(zhǎng)的條片狀的鐵素體和極細(xì)的片狀珠光體的混合組織。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)SEM、AFM并沒(méi)有觀察到珠光體與條片狀鐵素體的混合組織,異常組織不符合魏氏組織的組織特征。根據(jù)異常組織的OM照片、SEM照片和AFM照片可以將異常組織歸類(lèi)為上貝氏體組織。最新的貝氏體定義為:鋼中的貝氏體是過(guò)冷奧氏體中的中溫過(guò)渡性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,它以條片狀貝氏體鐵素體為基體,同時(shí)可能存在滲碳體、馬氏體、殘留奧氏體等相,貝氏體鐵素體內(nèi)部存在亞片條、亞單元、較高密度位錯(cuò)等精細(xì)亞結(jié)構(gòu)。魏氏組織鐵素體與貝氏體鐵素體在形貌上有相似之處,但一般認(rèn)為不屬于貝氏體組織的范疇。在針束異常組織的周?chē)霈F(xiàn)的馬氏體組織,是形成貝氏體鐵素體過(guò)程中,碳原子向周?chē)膴W氏體擴(kuò)散,形成富碳的奧氏體,在繼續(xù)冷卻過(guò)程中發(fā)生了馬氏體相變而轉(zhuǎn)變成為馬氏體。40Cr傳動(dòng)軸在回火處理后針束中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)碳化物的析出,見(jiàn)圖2(b)、(c)及圖3(d)、(e)、(f)所示。由此可以定義異常組織為無(wú)碳化物貝氏體,屬于上貝氏體組織。3.3貝氏體的鐵素體出氣來(lái)源由40Cr的TTT圖(圖5)可見(jiàn):40Cr在520℃以下開(kāi)始貝氏體轉(zhuǎn)變;貝氏體轉(zhuǎn)變的“鼻溫”為480℃;在貝氏體轉(zhuǎn)變之前先進(jìn)行先共析鐵素體的析出。無(wú)碳化物貝氏體在上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間的上部,因此40Cr中上貝氏體形成的溫度區(qū)間大約為480℃~520℃,判斷形成異常組織的溫度區(qū)間為500℃~520℃。3.4激發(fā)形核過(guò)程的探討目前,關(guān)于貝氏體組織的形成機(jī)制主要有貝氏體相變切變學(xué)說(shuō)、擴(kuò)散學(xué)說(shuō)、擴(kuò)散-切變整合學(xué)說(shuō)以及竹節(jié)長(zhǎng)大學(xué)說(shuō)等[7,8,9,10,11,12,13]。按照貝氏體相變切變學(xué)說(shuō)的理論,鋼中的貝氏體鐵素體片條幾乎都是由亞片條、亞單元、或超細(xì)亞單元組成的。40Cr傳動(dòng)軸中出現(xiàn)的貝氏體鐵素體的形核過(guò)程為:在貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏趦?nèi),奧氏體內(nèi)形成貧碳區(qū)和富碳區(qū);在貧碳區(qū)內(nèi),貝氏體鐵素體可以按低碳或超低碳馬氏體的切變機(jī)制形核長(zhǎng)大;在貝氏體鐵素體片條的長(zhǎng)大過(guò)程中,存在激發(fā)形核現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)異常組織中的鐵素體的確是由亞單元組成(見(jiàn)圖3(c)、圖4(e)所示),這表明激發(fā)形核過(guò)程的客觀存在。但是,同一束貝氏體鐵素體內(nèi)亞單元的尺寸相差較大(見(jiàn)圖2(b)和圖3(a)所示),這顯然是切變應(yīng)力激發(fā)理論所無(wú)法解釋的。有觀點(diǎn)認(rèn)為貝氏體鐵素體片條的長(zhǎng)大是亞單元重復(fù)形成的過(guò)程。按照這一觀點(diǎn),實(shí)驗(yàn)中無(wú)碳化物貝氏體的長(zhǎng)大過(guò)程應(yīng)當(dāng)是:首先,在過(guò)冷奧氏體晶界上由于成分漲落而隨機(jī)地出現(xiàn)貧碳區(qū),接著在某些貧碳區(qū)內(nèi)形成臨界晶核。該晶核處的碳原子擴(kuò)散到其周?chē)膴W氏體中,與遠(yuǎn)處的奧氏體形成碳濃度梯度,并且開(kāi)始了長(zhǎng)程擴(kuò)散。這為晶核的長(zhǎng)大創(chuàng)造了條件,并且迅速長(zhǎng)大為貝氏體鐵素體亞單元。由于體心立方的鐵素體亞單元的比容較大,相變發(fā)生體積膨脹,因而產(chǎn)生畸變應(yīng)力,阻礙亞單元繼續(xù)長(zhǎng)大。由于激發(fā)形核,在亞單元前端再產(chǎn)生新的亞單元,如此重復(fù),形成了貝氏體鐵素體片條。在條片狀貝氏體鐵素體之間的奧氏體中,不斷富集碳,加之其受鐵素體片條的多向壓應(yīng)力,這些奧氏體越來(lái)越穩(wěn)定,如果滲碳體也難以析出,則最后將殘留下來(lái)。這樣就形成了貝氏體鐵素體片條+富碳的殘留奧氏體的整合組織,即:BF+A′。在隨后的冷卻過(guò)程中,奧氏體可能繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變,生成馬氏體。由于實(shí)驗(yàn)中所用的40Cr原材料中含有0.17%~0.37%的Si元素,而Si原子不溶入滲碳體中,因此在發(fā)生貝氏體相變時(shí),富碳奧氏體中難以形成滲碳體,從而形成了只有貝氏體鐵素體而沒(méi)有滲碳體的無(wú)碳化物貝氏體。3.5冷卻速度不均勻根據(jù)以上分析,40Cr傳動(dòng)軸中的異常組織為無(wú)碳化物貝氏體組織,出現(xiàn)的主要原因是:40Cr傳動(dòng)軸直徑較大,導(dǎo)致淬火時(shí)次表面以?xún)?nèi)區(qū)域在高溫區(qū)冷卻速度不足,冷卻速度不均勻,經(jīng)過(guò)先共析鐵素體析出區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)而導(dǎo)致。因此,通過(guò)提高高溫區(qū)的冷卻速度的方式可以避免異常組織的出現(xiàn),如對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行攪拌、更改冷卻介質(zhì)的成分或濃度、更換冷卻介質(zhì)、改進(jìn)零件的裝卡方法等。為了驗(yàn)證以上結(jié)論,采用40Cr小試樣進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。40Cr小試樣在850℃保溫后空冷幾秒鐘時(shí)間后油冷,在晶粒內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)非常明顯的針束狀貝氏體組織,如圖6(a)中箭頭處所示;提高冷速后能夠得到全馬氏體組織,如圖6(b)所示。4無(wú)碳化物貝氏體經(jīng)過(guò)OM、SEM、AFM對(duì)40Cr傳動(dòng)軸中異常組織的分析,得到以下結(jié)論:1.大尺寸40Cr傳動(dòng)軸淬火后的異常組織為無(wú)碳化物貝氏體。異常組織出現(xiàn)的溫度范圍是500℃~520℃,形成原因主要是