CN110686062A - 一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法。非调质钢各组分含量（%）：C：0.35~0.39；Si：0.50~0.70；Mn：1.25~1.45；P≤0.015；S：0.015~0.060；Cr：0.10~0.30；V：0.10~0.15；Al：0.01~0.05；Nb：0.015~0.035；Ti：0.015~0.035；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20；N:0.015~0.020；O：≤0.0020；H≤0.0002；其余为Fe及杂质。轻量化制动凸轮轴，包括凸轮和轴管，凸轮和轴管通过摩擦焊接连接在一起。本发明通过一种高强韧性微合金化空心非调质钢代替实心45钢（或40Cr）调质钢用于载重汽车轻量化制动凸轮轴制造工艺的实施，取消了传统调质热处理工艺，虽然增加了摩擦焊接工艺，但是大大降低了材料消耗和能耗，提高了生产效率，可减重10%以上和降低成本10~20%。

Description

一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法
技术领域
本发明涉及汽车金属材料加工应用技术领域，具体涉及一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法。
背景技术
载重汽车制动凸轮轴是汽车制动系统的关键安全件，在使用过程中主要受扭矩。目前国内外载重汽车行业制动凸轮轴主要采用传统调质钢45钢（或40Cr）实心轴经锯切下料→锻造→调质热处理→机加工→表面感应淬火热处理等工序制成，传统的调质热处理由于生产周期长，能耗大，制造成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法，以达到节能降耗和减重轻量化，提高生产效率，降低成本的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种非调质钢轻量化制动凸轮轴，所述轻量化制动凸轮轴所用非调质钢的组分质量百分比（%）范围如下，C：0.35~0.39；Si：0.50~0.70；Mn：1.25~1.45；P≤0.015；S：0.015~0.060；Cr：0.10~0.30；V：0.10~0.15；Al：0.01~0.05；Nb：0.015~0.035；Ti：0.015~0.035； Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20；N:0.015~0.020；O：≤0.0020;H≤0.0002；其余为Fe及杂质。
进一步的，所述轻量化制动凸轮轴所用非调质钢的组分质量百分比（%）如下， C：0.39；Si：0.56；Mn：1.26；P：0.012；S：0.036；Cr：0.25；V：0.15；Al：0.017；Nb：0.015；Ti:0.018；Ni：0.24；Mo：0.004；Sn：0.008；Cu：0.03，其余为Fe和其他杂质；气体含量N：0.0167；O：0.0015；H：0.00011；其余为Fe及杂质。
根据上述非调质钢轻量化制动凸轮轴的制备方法，所述凸轮轴包括凸轮和轴管，该方法包括以下步骤：
步骤S1、制造非调质钢的圆钢；
制造所述非调质钢的圆钢包括以下步骤：铁水脱硫、经转炉炼制钢水、钢水精炼、钢水真空脱气、连铸成钢坯、钢坯加热、钢坯控轧控冷制得规格圆钢A和规格圆钢B。
步骤S2、下料；
所述下料包括凸轮锻压成型所需规格圆钢C下料和摩擦焊接所需轴管的锯切下料；其中，规格圆钢C是由步骤S1所制得的规格圆钢A经普通锯床锯切制得；轴管是由步骤S1所制造的规格圆钢B经加热、穿管制得规格轴管，后经普通锯床锯切制得；
步骤S3、凸轮精锻成型
所述凸轮精锻成型，由步骤S2所制造的规格圆钢C经加热至1050-1100℃，在315吨油压锻压设备锻制所得凸轮毛坯；
步骤S4、凸轮粗加工
所述凸轮粗加工，由步骤S3制造的凸轮毛坯经车削加工焊接端面部位光洁垂直；
步骤S5、凸轮与轴管摩擦焊接
所述凸轮与轴管摩擦焊接，由步骤S4所制造的凸轮粗加工毛坯和步骤S2制得轴管经80吨摩擦焊机经摩擦、顶锻焊接在一体，制得轻量化制动凸轮轴毛坯；
步骤S6、感应退火处理
所述感应退火处理，对步骤S5制造的轻量化制动凸轮轴毛坯在30-50kHZ感应加热设备上对焊缝长度方向30-50mm范围感应加热、空冷退火处理；
步骤S7、机加工
所述机加工，对步骤S1-S6制造的轻量化制动凸轮轴毛坯经杆部车削、凸轮铣削加工制得半精坯；
步骤S8、花键冷搓成型
所述花键冷搓成型，对步骤S1-S7制造的轻量化制动凸轮轴半精坯经花键搓齿机冷搓成型花键；
步骤S9、表面淬火、回火
所述表面淬火、回火，对步骤S1-S8制造的轻量化制动凸轮轴在感应加热淬火机床对凸轮部位、轴承部位和花键部位进行感应淬火，并在箱式加热炉经180-200℃至少1小时的回火处理；
步骤S10、磨外圆
所述磨外圆，对步骤S1-S9制造的轻量化制动凸轮轴在外圆磨床对轴承位置磨削至图纸尺寸；
步骤S11、100%探伤
所述100%探伤，对步骤S1-S10所制造的轻量化制动凸轮轴在磁粉探伤机进行100%磁粉探伤，无裂纹件进行退磁处理即得非调质钢轻量化制动凸轮轴产品。
进一步的，所述步骤S9表面感应淬火工艺参数：电压320V-420V，电流1200A-1800A，频率 30KHz-50KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm,感应器移动速度350mm/min -450mm/min，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa -0.3MPa，控制淬火加热温度（900±20）℃，轴径表面硬度55-60HRC，有效硬化层深DS（475HV3）=1.2-2.8mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法，通过一种高强韧性微合金化空心非调质钢代替实心45钢（或40Cr）调质钢用于载重汽车轻量化制动凸轮轴制造工艺的实施，取消了传统调质热处理工艺，虽然增加了摩擦焊接工艺，但是大大降低了材料消耗和能耗，提高了生产效率，可减重10%以上和降低成本10~20%。
附图说明
图1为本发明实施例中一种非调质钢轻量化空心制动凸轮轴示意图。
图2为本发明实施例中一种非调质钢轻量化制动凸轮轴基体金相组织。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种非调质钢轻量化制动凸轮轴，制造该凸轮轴的非调质钢各组分的质量百分比（%）含量范围如下：C：0.35~0.39；Si：0.50~0.70；Mn：1.25~1.45；P≤0.015；S：0.015~0.060；Cr：0.10~0.30；V：0.10~0.15；Al：0.01~0.05；Nb：0.015~0.035；Ti：0.015~0.035；N:0.015~0.020；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20；其余为Fe及杂质。
该非调质钢热轧态力学性能如下：抗拉强度Rm=850-1100MPa,屈服强度Rel≥580MPa,延伸率A≥10%，断面收缩率Z≥25%，冲击功AKu≥41J。
参见图1，制得的轻量化制动凸轮轴，包括凸轮1和轴管2，凸轮1和轴管2通过摩擦焊接连接。
制造上述凸轮轴的方法，包括以下步骤：
步骤S1：制造所述非调质圆钢；
制造所述非调质圆钢包括以下步骤：铁水脱硫、经转炉炼制钢水、钢水精炼、钢水真空脱气、连铸成钢坯、钢坯加热、钢坯控轧控冷制得规格圆钢A和规格圆钢B。
步骤S2：下料；
所述下料包括凸轮1锻压成型所需规格圆钢C和摩擦焊接所需轴管2的锯切下料。其中，规格圆钢C是由步骤S1所制得的规格圆钢A经普通锯床锯切制得，轴管2是由步骤S1所制造的规格圆钢B经加热、穿管制得规格轴管，后经普通锯床锯切制得。
步骤S3：凸轮1精锻成型
由步骤S2所制得规格圆钢C经加热至1050-1100℃，在315吨油压锻压设备锻制所得凸轮毛坯。
步骤S4：凸轮1粗加工
由步骤S3制得的凸轮毛坯经车削加工焊接端面部位光洁垂直。
步骤S5：凸轮1与轴管2摩擦焊接
由步骤S4所制的凸轮粗加工毛坯和步骤S2制得轴管经80吨摩擦焊机经摩擦、顶锻焊接在一体，制得轻量化制动凸轮轴毛坯。
步骤S6：感应退火处理
对步骤S5所制造的轻量化制动凸轮轴毛坯在30-50kHZ感应加热设备上对焊缝长度方向30-50mm范围感应加热、空冷退火处理。
步骤S7：机加工
对步骤S1-S6制造的轻量化制动凸轮轴毛坯经杆部车削、凸轮铣削加工至图纸要求尺寸。
步骤S8：花键冷搓成型
对步骤S1-S7制造的轻量化制动凸轮轴半精坯经花键搓齿机冷搓成型花键。
步骤S9：表面淬火、回火
对步骤S1-S8制造的轻量化制动凸轮轴在感应加热淬火机床对凸轮部位、轴承部位和花键部位（见附图1点划线位置）进行感应淬火，并在箱式加热炉经180-200℃至少1小时的回火处理。
步骤S10：磨外圆
对步骤S1-S9制造的轻量化制动凸轮轴在外圆磨床对轴承位置磨削至图纸尺寸。
步骤S11: 100%探伤。
对步骤S1-S10所制造的轻量化制动凸轮轴在磁粉探伤机进行100%磁粉探伤，无裂纹件进行退磁处理即得非调质钢轻量化制动凸轮轴产品。
上述步骤S9表面感应淬火工艺参数：电压320V-420V，电流1200A-1800A，频率30KHz-50KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm,感应器移动速度350mm/min -450mm/min，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa -0.3MPa，控制淬火加热温度（900±20）℃，轴径表面硬度55-60HRC，有效硬化层深DS（475HV3）=1.2-2.8mm。
下面通过一个具体的实施例对本发明进行进一步的说明：
实施例：
一种非调质钢轻量化制动凸轮轴的制造方法，包括以下步骤：
S1、制造所述非调质圆钢；
通过铁水脱硫、经转炉炼制钢水、钢水精炼、钢水真空脱气、连铸成钢坯、钢坯加热、钢坯控轧控冷制得φ45规格A圆钢和φ40规格B圆钢，其化学成分为（wt/%）：C：0.39；Si：0.56；Mn：1.26；P：0.012；S：0.036；Cr：0.25；V：0.15；Al：0.017；Nb：0.015；Ti:0.018，Ni：0.24；Mo：0.004；Sn：0.008；Cu：0.03，其余为Fe和其他杂质。气体含量N：0.0167，O：0.0015，H：0.00011；
S2、下料：
对步骤S1所制造的φ45规格A和φ40规格B圆钢进行锯切下料，其中φ45规格A圆钢经锯切获得φ45规格圆钢C，φ40规格B圆钢经锯切下料并加热、穿管制得φ42规格轴管，经锯切获得轴管2；
S3、凸轮1精锻成型
对步骤S1所制造的φ45规格C圆钢经加热至1050-1100℃，在315吨油压锻压设备锻制所得凸轮毛坯；
S4：凸轮1粗加工
对步骤S3所制造的凸轮毛坯经车削加工焊接端面部位光洁垂直；
S5：凸轮1与轴管2摩擦焊接
对步骤S4所制造的凸轮粗加工毛坯和步骤S2制得轴管经80吨摩擦焊机经摩擦、顶锻焊接在一体，制得轻量化制动凸轮轴毛坯；
S6：感应退火处理
对步骤S5制造的轻量化制动凸轮轴毛坯在30-50kHZ感应加热设备上对焊缝长度方向30-50mm范围感应加热、空冷退火处理；
S7：机加工
对步骤S1-S6制造的轻量化制动凸轮轴毛坯经杆部车削、凸轮铣削加工至图纸要求尺寸，其中轴管外圆φD=39mm（内孔φd=18mm）；
S8：花键冷搓成型
对步骤S1-S7制造的轻量化制动凸轮轴半精坯经花键搓齿机冷搓成型花键；
S9：表面淬火、回火
对步骤S1-S8制造的轻量化制动凸轮轴在感应加热淬火机床对凸轮部位、轴承部位和花键部位（见附图1点划线位置）进行感应淬火，并在箱式加热炉经180-200℃至少1小时的回火处理；
S10：磨外圆
对步骤S1-S9制造的轻量化制动凸轮轴在外圆磨床对轴承位置磨削至图纸尺寸；
S11: 100%探伤
对步骤S1-S10所制造的轻量化制动凸轮轴在磁粉探伤机进行100%磁粉探伤，无裂纹件进行退磁处理即得非调质钢轻量化制动凸轮轴产品。
对所述S1-S11所制造的非调质钢轻量化空心制动凸轮轴进行检测，金相组织：基体组织为微细珠光体+铁素体（铁素体含量23%）见附图2，铁素体平均晶粒度7-8级，感应淬火部位有效硬化层深度DS（475HV3）=2.6mm，表面硬度59-61HRC，力学性能见表1，该非调质钢轻量化空心制动凸轮轴较传统实心40Cr调质、正火和45钢调质状态力学性能优异。
表1：非调质钢轻量化制动凸轮轴力学性能
Figure 71011DEST_PATH_IMAGE002
对所述步骤1-11所制造的非调质钢轻量化空心制动凸轮轴进行静扭转和疲劳试验结果见表2、表3，该非调质钢轻量化空心制动凸轮轴较传统实心40Cr调质、正火和45钢调质状态静扭转强度较高，且扭转疲劳寿命满足设计要求。
表2：非调质钢轻量化制动凸轮轴静扭转试验
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表3：非调质钢轻量化制动凸轮轴扭转疲劳试验
相应地，本发明提供的一种非调质钢轻量化制动凸轮轴，通过一种高强韧性微合金化空心非调质钢代替实心45钢（或40Cr）调质钢用于载重汽车轻量化制动凸轮轴制造工艺的实施，取消了传统调质热处理工艺，虽然增加了摩擦焊接工艺，但是大大降低了材料消耗和能耗，提高了生产效率，可减重10%以上和降低成本10~20%，同时也适合应用于汽车领域的相关零部件的制造。
最应说明本发明的内容不限于实施例所列举的内容，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换及应用的拓展，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种非调质钢轻量化制动凸轮轴，其特征在于，所述轻量化制动凸轮轴所用非调质钢的组分质量百分比（%）范围如下，C：0.35~0.39；Si：0.50~0.70；Mn：1.25~1.45；P≤0.015；S：0.015~0.060；Cr：0.10~0.30；V：0.10~0.15；Al：0.01~0.05；Nb：0.015~0.035；Ti：0.015~0.035； Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20；N:0.015~0.020；O：≤0.0020;H≤0.0002；其余为Fe及杂质。
2.根据权利要求1所述非调质钢轻量化制动凸轮轴，其特征在于，所述轻量化制动凸轮轴所用非调质钢的组分质量百分比（%）如下， C：0.39；Si：0.56；Mn：1.26；P：0.012；S：0.036；Cr：0.25；V：0.15；Al：0.017；Nb：0.015；Ti:0.018；Ni：0.24；Mo：0.004；Sn：0.008；Cu：0.03，其余为Fe和其他杂质；气体含量N：0.0167；O：0.0015；H：0.00011；其余为Fe及杂质。
3.根据权利要求1所述的非调质钢轻量化制动凸轮轴的制备方法，所述凸轮轴包括凸轮和轴管，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1、制造非调质钢的圆钢；
制造所述非调质钢的圆钢包括以下步骤：铁水脱硫、经转炉炼制钢水、钢水精炼、钢水真空脱气、连铸成钢坯、钢坯加热、钢坯控轧控冷制得规格圆钢A和规格圆钢B；
步骤S2、下料；
所述下料包括凸轮锻压成型所需规格圆钢C下料和摩擦焊接所需轴管的锯切下料；其中，规格圆钢C是由步骤S1所制得的规格圆钢A经普通锯床锯切制得；轴管是由步骤S1所制造的规格圆钢B经加热、穿管制得规格轴管，后经普通锯床锯切制得；
步骤S3、凸轮精锻成型
所述凸轮精锻成型，由步骤S2所制造的规格圆钢C经加热至1050-1100℃，在315吨油压锻压设备锻制所得凸轮毛坯；
步骤S4、凸轮粗加工
所述凸轮粗加工，由步骤S3制造的凸轮毛坯经车削加工焊接端面部位光洁垂直；
步骤S5、凸轮与轴管摩擦焊接
所述凸轮与轴管摩擦焊接，由步骤S4所制造的凸轮粗加工毛坯和步骤S2制得轴管经80吨摩擦焊机经摩擦、顶锻焊接在一体，制得轻量化制动凸轮轴毛坯；
步骤S6、感应退火处理
所述感应退火处理，对步骤S5制造的轻量化制动凸轮轴毛坯在30-50kHZ感应加热设备上对焊缝长度方向30-50mm范围感应加热、空冷退火处理；
步骤S7、机加工
所述机加工，对步骤S1-S6制造的轻量化制动凸轮轴毛坯经杆部车削、凸轮铣削加工制得半精坯；
步骤S8、花键冷搓成型
所述花键冷搓成型，对步骤S1-S7制造的轻量化制动凸轮轴半精坯经花键搓齿机冷搓成型花键；
步骤S9、表面淬火、回火
所述表面淬火、回火，对步骤S1-S8制造的轻量化制动凸轮轴在感应加热淬火机床对凸轮部位、轴承部位和花键部位进行感应淬火，并在箱式加热炉经180-200℃至少1小时的回火处理；
步骤S10、磨外圆
所述磨外圆，对步骤S1-S9制造的轻量化制动凸轮轴在外圆磨床对轴承位置磨削至图纸尺寸；
步骤S11、100%探伤
所述100%探伤，对步骤S1-S10所制造的轻量化制动凸轮轴在磁粉探伤机进行100%磁粉探伤，无裂纹件进行退磁处理即得非调质钢轻量化制动凸轮轴产品。
4.根据权利要求3所述一种非调质钢轻量化制动凸轮轴及其制造方法，其特征在于，所述步骤S9表面感应淬火工艺参数：电压320V-420V，电流1200A-1800A，频率 30KHz-50KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm,感应器移动速度350mm/min -450mm/min，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa -0.3MPa，控制淬火加热温度（900±20）℃，轴径表面硬度55-60HRC，有效硬化层深DS（475HV3）=1.2-2.8mm。
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