CN107974641A - 一种eps输出轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种输出轴，具体涉及一种EPS输出轴，属于合金钢材料领域。所述EPS输出轴由合金钢制成，所述合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，所述颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.6‑4.2％，TiC：2.5‑3.4％，VC：1.8‑2.5％，Cr：15.5‑16.8％，B：2.8‑3.7％，Si：3.2‑3.8％，Fe：10.8‑12.4％，W：2.5‑3.2％，余量为Zn。本发明EPS输出轴通过在合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，从而使得锌层具有高耐磨性能，并显著增加合金钢的抗热冲击及抗氧化能力，提高合金钢的热硬度。

Description

一种EPS输出轴
发明领域
本发明涉及一种输出轴，具体涉及一种EPS输出轴，属于合金钢材料领域。
背景技术
随着国内汽车行业的快速发展，提高汽车整体的质量的要求越来越成为乘用车市场的主流。这样，乘用车转向系统也由原来的液压助力过渡到电动助力，汽车电动助力转向系统(EPS)的主要零件输入轴抗断裂的要求也越来越高，同时对其抗扭强度性能的研究也随之展开。
现在的汽车转向系统的主要零件EPS输出轴是进行普通的热处理后使用的(20Cr材料)，其配合件EPS中间轴的材料也为铁质材料，由于在加工工艺和结构特征上的原因,在使用过程中发现汽车转向系统的主要零件EPS输出轴的花键和EPS中间轴的内花键都有过量的磨损，特别是长期使用后，这种磨损现象更为严重。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种耐磨损的EPS输出轴。
本发明的目的通过如下技术方案来实现，一种EPS输出轴，所述EPS输出轴由合金钢制成，所述合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，所述颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.6-4.2％，TiC：2.5-3.4％，VC：1.8-2.5％，Cr：15.5-16.8％，B：2.8-3.7％，Si：3.2-3.8％，Fe：10.8-12.4％，W：2.5-3.2％，余量为Zn。
在本发明EPS输出轴中，通过在合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，其中TiC和VC颗粒不仅具有高的硬度、弥散分布，使碳化物间距减小，对基体的割离作用小，且其细小的碳化物在晶界析出，降低了晶界自由能，阻碍晶界移动，提高了晶界区域消耗的能量，提高了增强体的抗脱落能力，从而使得锌层具有高耐磨性能。TaC的添加能够阻止合金钢中晶粒长大，并能够与TiC一起形成第三弥散相，从而显著增加合金钢的抗热冲击及抗氧化能力，并提高合金钢的热硬度。
作为优选，本发明中所述TaC颗粒的粒径为2.5-3.6μm，TiC颗粒的粒径为3.8-4.2μm，VC颗粒的粒径为3.4-3.8μm。
在上述一种EPS输出轴中，所述合金钢具体包括如下质量百分比的成分：C：0.24-0.28％，Si：0.26-0.32％，Mn：0.42-0.50％，Ni：0.12-0.18％，Cr：0.95-1.12％，Mo：0.20-0.25％，B：0.02-0.05％，余量为Fe。
本发明EPS输出轴采用铬钼合金钢，铬钼合金钢具有高强度和高韧性，还具有优良的淬透性，其中铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。而钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
在本发明EPS输出轴中，在合金钢中加入Ni，能提高固溶强化作用及淬透性，同时细化铁素体晶粒，在强度相同的情况下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，能强化铁素体并细化和增多珠光体，从而提高合金钢的强度。同时，能够提高钢的疲劳抗力，减小合金钢对缺口的敏感性。
在本发明EPS输出轴中，通过加入微量B元素，能与钢中的有害杂质元素磷产生交互作用，从而有效抑制磷偏聚对钢的高温延塑性的有害影响，B原子在晶界的优先非平衡偏聚，抑制了磷在晶界的偏聚，从而显著提高钢的热塑性，降低了钢连铸过程的裂纹敏感性。
本发明的另一个目的在于提供一种上述EPS输出轴的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；
预烧冷却：在800-825℃氢气气氛下预烧30-35min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在700-720MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；
烧结冷却：在1120-1125℃氢气气氛下烧结30-35min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品。
本发明采用复压复烧的方法制备EPS输出轴，在制备过程中孔隙较小且比较圆滑，并弥散分布在合金钢基体中，而合金钢基体的强度和塑性会随着孔隙度的增加而降低，由于在铁基体中，孔隙的存在不会引起大的应力集中，但会削弱合金钢承载的有效断面，导致应力沿烧结材料的显微体积分布不均匀。而本发明采用复压复烧工艺，不仅可以降低合金钢的孔隙度，从而提升合金钢的拉伸轻度和伸长率，而且可以改变孔隙的形状，在复压过程中，合金钢中的孔隙会变小且形状也发生变化，在复烧过程中会导致孔壁的圆滑平直化和球化，使得合金钢在拉伸过程中的变形更加均匀且可减少应力集中。
在上述一种EPS输出轴的制备方法中，所述压制成型的压力为600-650MPa。
在上述一种EPS输出轴的制备方法中，所述层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.2-1.32％，所述片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.4-0.45％，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.8-0.85％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.65-0.7％。本发明通过在合金钢中加入层状石墨，能够在合金钢制备过程中形成Cr3C2碳化物相，它具有很高的硬度，对材料起到增加摩擦作用，导致制成的EPS输出轴的摩擦系数增大；层状石墨添加量越多，生成的碳化物就越多，因而摩擦系数就越大。尽管硬质碳化物的耐磨作用可以改善合金钢的耐磨性能，但是材料的整体强度随着层状石墨添加量增多而降低，所以层状石墨添加量过多时，材料的磨损率反而增高了，本发明通过将层状石墨的加入量控制在上述范围，能够使本发明EPS输出轴的摩擦系数大而不影响磨损率。片状石墨的加入，能够在压制过程中起到润滑作用，有利于减少压制过程中压力的损失，从而提高压坯密度；但由于石墨的密度比铁的密度低得多，过多的石墨会使混合粉末理论密度降低，因而降低压坯的密度，因此本发明选用上述成分的片状石墨。
在上述一种EPS输出轴的制备方法中，所述稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.36-0.48％。向钢材中添加稀土，能够降低氧和硫的含量，降低低熔点金属元素的有害作用，生成密度小、熔点高的化合物，并从钢液中排除，使钢材中杂质含量减少。稀土化合物微小的固态质点提供了异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍了晶胞长大，为钢晶粒细化提供了较好的热力学条件,故稀土加入钢中能细化钢的凝固组织,从而改善钢的性能。
在上述一种EPS输出轴的制备方法中，所述稀土丝由Re和Ce混合而成，且质量比为2-1:1。所述稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处。本发明通过结晶器向钢材中加入稀土，能够改善钢中非金属夹杂物，特别是硫化物形态和分布，能够提高制得的合金钢的综合性能，尤其是冲击韧性。
作为优选，本发明中结晶器喂稀土丝速度为12-13m/min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明EPS输出轴通过在合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，从而使得锌层具有高耐磨性能。并显著增加合金钢的抗热冲击及抗氧化能力，提高合金钢的热硬度；
2、本发明EPS输出轴通过在合金钢材料中加入层状石墨和B，能够提高钢的疲劳抗力，减小合金钢对缺口的敏感性，从而显著提高钢的热塑性，降低了钢连铸过程的裂纹敏感性；
3、本发明EPS输出轴采用配伍合理的合金钢并结合复压复烧的制备方法，使得到的EPS输出轴耐磨损性能好，伸长率和强度均优良。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢原料具体包括如下质量百分比的成分：C：0.24％，Si：0.26％，Mn：0.42％，Ni：0.12％，Cr：0.95％，Mo：0.20％，B：0.02％，余量为Fe；层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.2％，片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.4％，石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.8％，硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.65％；压制成型的压力为600MPa；
预烧冷却：在800℃氢气气氛下预烧305min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在700MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处；稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.36％；稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为2:1；结晶器喂稀土丝速度为12m/min；
烧结冷却：在1120℃氢气气氛下烧结30min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品；其中，颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.6％，TiC：2.5％，VC：1.8％，Cr：15.5％，B：2.8％，Si：3.2％，Fe：10.8％，W：2.5％，余量为Zn；TaC颗粒的粒径为2.5μm，TiC颗粒的粒径为3.8μm，VC颗粒的粒径为3.4μm。
实施例2
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢原料具体包括如下质量百分比的成分：C：0.25％，Si：0.28％，Mn：0.44％，Ni：0.13％，Cr：0.99％，Mo：0.21％，B：0.03％，余量为Fe；层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.23％，片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.41％，石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.81％，硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.66％；压制成型的压力为615MPa；
预烧冷却：在807℃氢气气氛下预烧31min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在705MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处；稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.39％；稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为1.3:1；结晶器喂稀土丝速度为12.2m/min；
烧结冷却：在1121℃氢气气氛下烧结31min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品；其中，颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.7％，TiC：2.7％，VC：2.0％，Cr：15.8％，B：3.0％，Si：3.3％，Fe：11.2％，W：2.7％，余量为Zn；TaC颗粒的粒径为2.8μm，TiC颗粒的粒径为3.9μm，VC颗粒的粒径为3.5μm。
实施例3
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢原料具体包括如下质量百分比的成分：C：0.26％，Si：0.29％，Mn：0.46％，Ni：0.15％，Cr：1.05％，Mo：0.23％，B：0.035％，余量为Fe；层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.26％，片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.42％，石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.83％，硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.68％；压制成型的压力为625MPa；
预烧冷却：在813℃氢气气氛下预烧32min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在710MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处；稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.42％；稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为1.5:1；结晶器喂稀土丝速度为12.5m/min；
烧结冷却：在1123℃氢气气氛下烧结33min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品；其中，颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.9％，TiC：3％，VC：2.1％，Cr：16.2％，B：3.2％，Si：3.5％，Fe：11.6％，W：2.8％，余量为Zn；TaC颗粒的粒径为3μm，TiC颗粒的粒径为4μm，VC颗粒的粒径为3.6μm。
实施例4
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢原料具体包括如下质量百分比的成分：C：0.27％，Si：0.30％，Mn：0.48％，Ni：0.17％，Cr：1.09％，Mo：0.24％，B：0.04％，余量为Fe；层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.30％，片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.44％，石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.84％，硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.68％；压制成型的压力为640MPa；
预烧冷却：在820℃氢气气氛下预烧34min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在715MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处；稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.46％；稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为1.8:1；结晶器喂稀土丝速度为12.8m/min；
烧结冷却：在1124℃氢气气氛下烧结34min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品；其中，颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：4.0％，TiC：3.2％，VC：2.4％，Cr：16.5％，B：3.5％，Si：3.7％，Fe：11.9％，W：2.9％，余量为Zn；TaC颗粒的粒径为3.2μm，TiC颗粒的粒径为4.1μm，VC颗粒的粒径为3.7μm。
实施例5
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢原料具体包括如下质量百分比的成分：C：0.28％，Si：0.32％，Mn：0.50％，Ni：0.18％，Cr：1.12％，Mo：0.25％，B：0.05％，余量为Fe；层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.32％，片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.45％，石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.85％，硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.7％；压制成型的压力为650MPa；
预烧冷却：在825℃氢气气氛下预烧35min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在720MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处；稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.48％；稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为1:1；结晶器喂稀土丝速度为13m/min；
烧结冷却：在1125℃氢气气氛下烧结35min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品；其中，颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：4.2％，TiC：3.4％，VC：2.5％，Cr：16.8％，B：3.7％，Si：3.8％，Fe：12.4％，W：3.2％，余量为Zn；TaC颗粒的粒径为3.6μm，TiC颗粒的粒径为4.2μm，VC颗粒的粒径为3.8μm。
实施例6
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中没有加入片状石墨，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例7
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中没有加入层状石墨，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例8
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中片状石墨加入量为合金钢原料质量的0.5％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例9
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中层状石墨加入量为合金钢原料质量的1.35％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例10
与实施例1的区别仅在于，该实施例中合金钢中B的含量为0.06％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中没有加入稀土丝，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例12
与实施例1的区别仅在于，该实施例制备过程中稀土丝由其他稀土元素组成，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，该对比例选用市售合金钢，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，该对比例合金钢表面没有涂覆颗粒增强锌层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，该对比例合金钢表面涂覆普通锌层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
将实施例1-12及对比例1-3中的EPS输出轴进行性能检测，检测结果如表1所示。
表1：实施例1-12及对比例1-3中EPS输出轴测试结果
从上述结果可以看出，本发明EPS输出轴通过在合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，从而使得锌层具有高耐磨性能。并显著增加合金钢的抗热冲击及抗氧化能力，提高合金钢的热硬度；
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种EPS输出轴，其特征在于，所述EPS输出轴由合金钢制成，所述合金钢表面熔覆有颗粒增强锌层，所述颗粒增强锌层具体包括如下质量百分比的成分：TaC：3.6-4.2％，TiC：2.5-3.4％，VC：1.8-2.5％，Cr：15.5-16.8％，B：2.8-3.7％，Si：3.2-3.8％，Fe：10.8-12.4％，W：2.5-3.2％，余量为Zn。
2.根据权利要求1所述的一种EPS输出轴，其特征在于，所述TaC颗粒的粒径为2.5-3.6μm，TiC颗粒的粒径为3.8-4.2μm，VC颗粒的粒径为3.4-3.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种EPS输出轴，其特征在于，所述合金钢具体包括如下质量百分比的成分：C：0.24-0.28％，Si：0.26-0.32％，Mn：0.42-0.50％，Ni：0.12-0.18％，Cr：0.95-1.12％，Mo：0.20-0.25％，B：0.02-0.05％，余量为Fe。
4.一种如权利要求1所述的EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与层状石墨、片状石墨、石蜡、硬脂酸锌压制成型；
预烧冷却：在800-825℃氢气气氛下预烧30-35min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在700-720MPa下复压；
喂稀土丝：采用结晶器喂稀土丝；
烧结冷却：在1120-1125℃氢气气氛下烧结30-35min后水冷，出炉得EPS输出轴半成品；
颗粒增强锌层熔覆：在EPS输出轴半成品表面熔覆颗粒增强锌层得EPS输出轴成品。
5.根据权利要求3所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述层状石墨的加入量为合金钢原料质量的1.2-1.32％，所述片状石墨的加入量为合金钢原料质量的0.4-0.45％，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.8-0.85％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.65-0.7％。
6.根据权利要求4所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为600-650MPa。
7.根据权利要求4所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述稀土丝的质量为合金钢原料质量的0.36-0.48％。
8.根据权利要求7所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述稀土丝由Re和Ce混合而成，且两者的质量比为2-1:1。
9.根据权利要求4所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，所述稀土丝插入位置在结晶器宽面四分之一、窄面二分之一交汇处。
10.根据权利要求4所述的一种EPS输出轴的制备方法，其特征在于，结晶器喂稀土丝速度为12-13m/min。
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