CN1050388C - 驱动轴的加工方法及制造它的合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型SAE1541M合金钢，它主要由0.40-0.48%碳、1.35-1.61%锰、0.16-0.30%硅，0-0.23%铬以及余量铁和其它不影响钢的淬透性的元素组成，它特别适合于制作用作承载力为30,000至44,000磅直径为1.70-2.50英寸的驱动轴。

Description

驱动轴的加工方法及制造它的合金

本发明涉及一种新合金组成，更具体地说，涉及一种新合金组成和最小直径为1.7时、最低承载能力为30,000磅的驱动轴的制造方法。

在选择制造高强度轴合金钢或其配方时，最重要的依据之一是控制该合金的淬透性。同样，合适的淬透性又取决于合金具有合适的含碳量，即含碳量应足够高，可以获得以洛氏硬度Rc表示的最低表面硬度，同时含碳量又低到可以控制硬化过程使之不超过理想的最大表面硬度或使轴的芯部不被淬硬。淬透性确定了给定淬硬层的深度，它也定义为在施行某一淬火条件下所能形成马氏体的深度，在该条件下淬火速率等于或大于临界冷却率。

现代淬透性概念在1930年左右创立于美国钢协会研究室。1938年，顶端淬火试验法(Joming Test)作为测定淬透性的方法被引入通用电机公司实验室。该实验室包括将1寸圆棒的端部淬火并以淬火端为起点，在该圆棒上每隔1/16″处测量其硬度值Rc。美国钢协会的Grossmann在Trans Am，Inst，MiningMet，Engrs，v，150，1942，pp，227-259发表的论文中首创了淬透性的方法。Grossmann假定淬透性可用一具有标准直径DI的圆钢为测量基准，该标准直径(以英寸表示)定义为在典型淬火条件下圆钢不会出现未淬硬的心；或进一步规定在圆钢心部产生50％马氏体结构。在许多冶金专著中都有DI值的计算方法，例如“现代冶金工程师”(Frank.T.Sisco，Second edition，PitmanPublishing Compang，New York，1948)或教材“钢的淬透性概念，冶金效应和工业效用”(Clarernce A.Siebert，DougDouglas V.Doane and Dale H.Breen published bythe American Society of Metals，Metals Park，OhOhio，1977)。

以英寸表示的临界直径DI基本上是对某一特定钢种中含有全部残留元素或特意加入到钢中的全部元素的倍增系数MF相乘计算得出。例如对SAE/AISI1040碳钢，采用Grossmann数据时对应典型的百分率的倍增系数如下：碳0.39％，MF＝0.23；锰0.68％，MF＝3.27；硅0.11％，MF＝1.08；镍0.12％，MF＝1.05；铬0.04％，MF＝1.09；钼0.02，MF＝1.06。然后计算出临界直径DI＝0.23×3.27×1.08×1.05×1.09×1.06＝0.98吋。这意味着理想淬火钢的标准直径应是0.98吋；因而为了保证最佳淬火性，这种轴的最大直径应稍小于0.98吋，而多半为3/4吋左右。

采用DI计算方法，可以决定具有适宜的淬透性分布曲线且中心有50％马氏体的特定合金钢轴的最大直径。

已完全证实高锰碳钢组合物具有满意的淬透性，因为淬火时锰可以使碳渗透到呈铁固溶体的心部而获得所希望的马氏体。含0.36-0.44％碳和1.35-1.65％Mn的SAE/AISI 1541中碳钢具有的渗透性适合于最大直径小于1.7吋而承载力小于30,000磅的轴，直径大于1.7吋承载力为30,000，34,000，38,000或44,000磅的轴不宜用1541号钢来制造，因为其中的锰不能产生所希望的可在心部至少具有50％马氏体的心部硬度分布曲线。向SAE 1541钢中加入痕量硼后即得SAE 15B41钢使这一问题得到满意的解决。这种钢中硼的含量一般为0.0005-0.003％。

向钢中加入硼以得到合适的淬透性分布曲线时，若在轴的一端锻出普通的键槽而另一端锻成凸缘之后有出现残余应力的危险。这会大大降低轴的疲劳寿命，由于应力裂纹而产生过早的损坏。这是因为硼会以氮化硼形态沉淀在晶粒边界上而使钢产生脆性。为消除这一不利影响，可将轴加热至转变温度以上后在空气中冷却(正火处理)从而将氮化硼排出晶界之外。这是一个费时而又费钱的过程。

本发明旨在获得一种具有优良淬透性的合金组成，以便使直径为1.70-2.05吋轴可用作承载能力为30,000～44,000磅的驱动轴。利用一种主要成分为0.40-0.48％碳、1.35～1.61％锰、0.16-0.30％硅、0～0.23％铬、余量铁以及其它不影响钢的淬透性元素的合金钢，即可以通过以下方法，即在轴的一端锻出键槽而在另一端锻成凸缘后再将其端部机加工至最终形状和尺寸，然后将轴淬火而无需在锻造后插入任何退火或正火处理来制造这种驱动轴。

这种合金钢应含有0.025-0.05％铝以使其成为一种晶粒度为ASTM 5-8的钢从而确保合适的淬透性。

这种合金一般含有0～0.15％铜，0～0.20％镍，0～0.15％钼，0.02～0.045％硫和最高为0.035％的磷。

轴的临界直径应为2.1至2.6寸。

轴在其中心处的最大硬度应为Rc35而在回火后其表面硬度应为Rc52～Rc59，并且距其表面0.470吋处的最大硬度为Rc40。当符合上述组成和临界直径标准时就可获得这种硬度分布曲线。

在研究具有优良淬透性的高强度合金钢时，化学组成方面的微小变化对合金符合设计标准的能力会有重大影响，并且对产品(例如驱动轴)的加工方法也会有本质的改变。例如这种化学组成的变化以及由此导致的产品性能和加工方法的改变会涉及整个驱动轴制造业。在加工汽车传动轴，尤其是轴身直径不超过1.70″的客车和轻型卡车的驱动轴时，可以用符合淬透性规范而不需正火或回火处理的1541合金钢制造。

在轴中使用直径为1.70-2.05吋的驱动轴时并且额定承载能力为30,000～44,000磅时，如果采用1541合金，则其淬透性或淬硬深度不够，因而驱动轴不会有满意的概率寿命。在这个直径和载重能力范围内的标准驱动轴以前都是用15B41合金钢制造，而这种合金钢中有痕量硼以增加淬硬深度从而得到所要求的强度和疲劳寿命。

SAE/AISI1541的化学成分如下：

元素                    成分范围

                        最大值(重量％)

碳                      0.36-0.44

锰                      1.35-1.65

硅                      0.15-0.35

硫                      0.050_最大

磷                      0.040_最大

加硼钢15B41的成分是在上表所示成分中再加0.0005-0.003％硼。利用加硼的15341高锰碳钢可以生产出以下直径的具有足够疲劳寿命的工业标准强度的驱动轴：

轴的额定载重能力                        轴体直径

    磅                                     吋

    30,000                                1.72

    34,000                                1.84

    38,000                                1.91

    44,000                                2.05

尽管15B41钢能在要求的强度水平上提供合适的淬透性，但制造驱动轴的方法却变得更为复杂。通常驱动轴是由具有要求直

的棒料制得。将棒料按要求的驱动轴长度截下之后，将其一端锻造出键槽而另一端锻成凸缘。键槽和凸缘的形状和最终尺寸由制造商决定或按原设备制造商的要求或市场配件的规格加工。在锻造之后将键槽和凸缘机械加工成最终尺寸。机加工之后通过将轴加热至前述临界温度之上并用水淬完成轴的淬火处理。这一淬火过程最好用感应加热来完成，感应加热可在一次照射过程(one-shot process)中完成，此时轴在两定心顶尖之间旋转而感应线圈则固定，也可在感应扫描过程中进行，此时在驱动轴旋转的同时感应线圈移动。快速水淬产生所希望的硬度梯度。在一连续回火炉中对轴进行最终回火处理以消除残余应力，这可以将用洛氏硬度c表示的硬度值降低若干点。

当1541钢用于制造较小直径的驱动轴时，前述的该驱动轴的加工方法是采用锻造和机加工，而且在其间不需采用任何热处理步骤。采用15B41钢时，硼会导致晶粒边界应力。为了减少这些应力，需要在锻造操作之后，机加工和淬火工序之前进行退火或正火处理。退火或正火过程是费时又费钱的，因而会增加驱动轴的成本。

符合强度和淬透性要求的另一些合金钢，例如50B50更为昂贵，在锻造之后也需要正火。

在研究各种合金组分并沿轴直径方向作出与顶端淬火试验的淬透性曲线十分相似的硬度分布曲线来估算其淬透性时，可发现如果轴的最低屈服强度为110,000磅/吋，将会得到一个完全满意的淬透性分布曲线，这也会保证更长的疲劳寿命。由于了解铬和锰一样会使淬硬层渗入轴心部，因而试验了不同锰和铬组成的配方。过高的含铬量也会导致钢其有过高的淬透性。同样，如果当含碳量高时含锰量也高，则会具有一种使心部过于硬化的倾向，从而降低疲劳寿命。若先就高而已提到的1541钢分析，并部分忽略增加锰和碳含量会导致增加淬硬深度或淬透性这一普通见解，就发现稍稍提高碳含量范围并将较高的锰含量限稍降低同时适当添加少量铬，即可配制成一种新的合金钢，这种钢具有更合理的表面层深度。这种SAE/AISI1541M合金钢的化学组成如下：

元素                                成分范围或最大重量％

碳                                        0.40-0.484.0-

锰                                        1.35-1.61

铬                                        0-0.23

硅                                        0.16-0.30

硫                                        0.020-0.45

磷                                        0.35_最大

钼                            0-0.15

镍                            0-0.20

铜                            0-0.15

新型1541M合金钢的镍和铜成分是通常在本国熔炼时存在的残余量。同样，硅，硫和磷一般取用上述这些含量，并为标准碳合金钢所接受。使用的铝含量可为0.025～0.05％，以保证其晶粒度为ASTM5-8。

还发现，如果还规定了标准的临界直径DI范围，则更可确保在利用锻造之后无退火或正火处理的方法来加工的驱动轴能更充分地满足强度和疲劳要求，而对硬度分布曲线则可不必加以考虑。实际直径范围为1.70-2.05吋的标准直径范围DI＝2.1～2.6吋。规定这种标准直径范围可以消除极罕见的可能性即每种元素含量都处在最低限或最高限从而可能导致概率寿命下降。

在计算DI时，使用了碳、锰、镍、铬、钼、铜和硅的MF。若合金中不含铝或虽含铝但其含量如前述而可保证其细晶粒度则铝的倍增系数MF应取为1。在这一计算中未使用磷和硫的倍增系数，因为在给定的成份范围内他们互相抵消，即磷的倍增系数约1.03，硫的倍增系数约为0.97。

在规定2.1～2.6吋的临界直径范围时，履带规范IE-38被用于确定给定元素百分率的倍增系数。在出版物“锻钢的淬透性测算”(履带公司出版)中有这种规范，本文引用作参考。如果所有的元素含量都处在最低或最高限处，则其相应的倍增系数如下：

  最低值                               最高值

  ％    MF                            ％    MF碳  0.40   0.213                         0.48  0.233锰  1.35   5.765                         1.61  7.091铬    0    1.0                           0.23  1.497硅  0.16   1.112                         0.30  1.21钼    0    1.0                           0.15  1.45镍    0    1.0                           0.20  1.073铜    0    1.0                           0.15  1.06

如果对应所有元素最低值的倍增系数相乘，则DI＝1.3吋，这将不满足最低DI为2.1吋的要求。同样，如果对应所有元素最高百分率的倍增系数相乘，则DI为4.9，这又超出了允许的最大DI＝2.6吋。

另一方面，淬透性可以用最小硬度梯度、最高心部硬度，给定深度上的最高硬度以及表面硬度范围来表示。较合适的强度和疲劳寿命要求可表示为最高心部硬度为Rc35，深度为0.47吋处的最高硬度为Rc40，以及表面硬度范围为Rc52～Rc59。最小硬度梯度如下：

距离(寸)                       Rc

0.050″                        52

0.100″                        52

0.200″                        52

0.300″                        45

0.400″                        33

0.500″                        22

上述淬透性规定考虑到了驱动轴在感应淬火之后，在不超过350°F下进行

小时的回火处理。为了确保用回火来消除残余应力的附加要求是它应在感应淬火后两小时之内进行。

Claims (23)

1.由主要成分为0.40-0.48％碳、1.35-1.61％锰、0.16-0.30％硅、最多0.23％铬以及余量的铁和其它不影响钢淬透性的材料组成的合金钢制成最小轴体直径为1.70吋的驱动轴制造方法，锻造轴的两端使其一端形成键槽而另一端形成凸缘，机加工所述端部达到最终形状和尺寸，并将上述轴进行感应淬火，在锻造之后无须插入退火和正火过程。

2.根据权利要求1所述之方法，其中合金钢还含有0.025-0.05％铝，而钢的晶粒大小为ASTM5-8。

3.根据权利要求1所述之方法，其中所述钢含有0-0.15％铜、0-0.20％镍，0-0.15％钼，0.020-0.045％硫和最大为0.035％磷。

4.根据权利要求1所述之方法，其中所述驱动轴的额定承载能力为30,000至44,000磅，而标称轴体直径为1.70至2.05吋。

5.根据权利要求4所述之方法，其中所述驱动轴的额定承载能力为30,000；34,000；38,000或44,000磅。

6.根据权利要求5所述之方法，其中所述驱动轴的临界直径为2.1至2.6吋。

7.根据权利要求3所述之方法，其中所述驱动轴的临界直径为2.1至2.6吋并利用碳、锰、镍、铬、钼、铜和硅的倍增系数计算得出。

8.根据权利要求1所述之方法，该方法还包括所述驱动轴在淬火之后进行回火。

9.根据权利要求8所述之方法，其中所述轴在温度不超过350°F时进行回火

小时。

10.根据权利要求9所述之方法，其中所述回火工序是在所述感应淬火工序后两小时之内开始。

11.根据权利要求8所述之方法，其中所述驱动轴心部的最大硬度为Rc35。

12.根据权利要求8所述之方法，其中所述驱动轴在距离表面为0.470″处的最大硬度为Rc40。

13.根据权利要求8所述之方法，所述驱动轴在回火后的表面硬度是Rc52至Rc59。

14.根据权利要求13所述之方法，其中所述驱动轴在距表面不同距离处测得的最小硬度梯度是

0.050吋处为Rc52，0.100吋处为Rc52，

0.200吋处为Rc52，0.300吋处为Rc45，

0.400吋处为Rc33，0.500吋处为Rc22，

15.根据权利要求1所述之方法，其中所述感应淬火由一次照射感应过程加水冷来完成。

16.根据权利要求15所述之方法，其中驱动轴心部不受所述感应工序的影响，硬化区域的显微结构约为90％马氏体，10％贝氏体。

17.根据权利要求1所述之方法，其中所述驱动轴在感应淬火之后其心部至少有50％的马氏体结构。

18.由主要成分为0.40-0.48％碳，1.35-1.61％锰，0.16-0.30％硅，最多0.23％铬，0.025-0.05％铝，0-0.015％铜，0-0.20％镍，0.020-0.045％硫和最大为0.035％磷以及余量铁的合金钢制成最小轴体直径为1.70吋最小额定承载能力为30,000磅且临界直径为2.1-2.6吋的驱动轴制造方法中，锻造轴的两端使其一端形成键槽而另一端形成凸缘；机加工该端部以达到最终形状和尺寸，在锻造之后无需插入任何退火或正火过程而直接将该轴感应淬火，然后回火。

19.根据权利要求18所述之方法，其中所述钢的晶粒度为ASTM5-8，在其中心部的最大硬度为Rc35，在回火之后其表面硬度为Rc52-Rc59。

20.驱动轴，其额定承载能力为30,000-44,000磅，轴体直径为1.70-2.05吋，由锻造和机加工其端部并感应淬火而制成，在锻造和淬火处理之间不插入其它热处理过程，其组成中的主要成分为0.40-0.48％碳，1.35-1.61％锰，0.16-0.30％硅，最多0.23％铬，0-0.15％铜，0-0.20％镍，0.020-0.45％硫，0.025-0.05％铝和最大为0.035％磷，余量为铁，并且所述轴临界直径为2.1-2.6吋。

21.可利用锻造和机加工轴的端部及感应淬火并且在锻造和淬火处理之间不插入其它热处理过程而制成轴体直径1.70-2.05吋的驱动轴的合金，其组成中的主要成分为0.40-0.48％碳，1.35-1.61％锰，0.16-0.30％硅，最多0.23％铬，余量为铁和其它不影响钢淬透性的材料，所述轴的临界直径为2.1-2.6吋，是用碳，锰，硅和铬的倍增系数计算而得的。

22.根据权利要求21所述之合金钢，其中所述合金钢还含0.025-0.05％铝。

23.根据权利要求21所述之合金钢，其中所述钢含0-0.15％铜，0-0.20％镍，0-0.15％钼，0.020-0.045％硫和最大为0.035％磷并且临界直径还用铜、镍和钼的倍增系数计算。