CN113444864A - 汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管 - Google Patents

汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管，包括以下流程：管坯加热‑轧管‑酸洗‑烘干‑可控气氛热处理‑冷加工‑精整检验‑入库；所述酸洗为清理钢管内表面的氧化皮及润滑剂；所述烘干为清理钢管内表面的H2O；所述可控气氛热处理采用可控气氛热处理炉，炉内的CO浓度控制在5％，CO2的浓度为0.16％，CO和CO2的浓度比值Kp1大于30；炉内的H2浓度控制在11％，H2O浓度为0.4％，H2和H2O的浓度比值Kp2大于27。本发明能够有效控制钢管表面脱碳的产生，脱碳深度控制范围0～0.07mm，传动轴扭转疲劳性能性≥30万次，满足传动轴的设计要求。

Description

汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管
技术领域
本发明涉及汽车空心传动轴管表面脱碳技术，更具体地说，涉及一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管。
背景技术
汽车传动轴是汽车传动系统中传递动力的重要部件，它的作用是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。传动轴承受很大的扭矩，早期的传动轴以实心居多，原材料主要是弹簧钢棒材。由于汽车轻量化的要求，同时空心轴转动不平衡控制更容易，所以很多汽车厂逐步用无缝空心轴替代了实心轴，原材料则用轻质及抗扭性佳的无缝钢管替代了棒材。
传动轴是高速旋转的传动部件，除了传递扭矩的作用外，路面对车轮的作用力都压在了传动轴上，所以传动轴同时还承受垂直力、侧向力和纵向力共同产生的弯矩，是一个“劳模”级的安全部件，传动轴比较容易出现扭转疲劳失效。因此，这就要求汽车空心传动轴管具有良好的表面厚均匀度、较高的强度以及良好的抗扭转疲劳的性能，且要满足一定的静扭矩值。
汽车空心传动轴管表面的脱碳程度直接影响传动轴的扭转疲劳性能，而无缝钢管生产工艺中的热处理工序容易产生脱碳，脱碳深度0.1～0.15mm之间，从而影响传动轴的扭转疲劳性能。
如图1所示，现有工艺为钢管直接在保护气氛热处理炉中热处理，该工艺在钢管热处理时产生表面脱碳，脱碳深度0.1～0.15mm之间，生产的传动轴扭转疲劳性能性≤30万次，达不到传动轴的设计要求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管，能够有效控制钢管表面脱碳的产生，脱碳深度控制范围0～0.07mm，传动轴扭转疲劳性能性≥30万次，满足传动轴的设计要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，包括以下流程：
管坯加热-轧管-酸洗-烘干-可控气氛热处理-冷加工-精整检验-入库；
所述酸洗为清理钢管内表面的氧化皮及润滑剂；
所述烘干为清理钢管内表面的H2O；
所述可控气氛热处理采用可控气氛热处理炉，控制炉内的CO的浓度，实现CO和CO2浓度的实际比值Kp1大于其平衡常数，
控制炉内的H2的浓度，实现H2和H2O浓度的实际比值Kp2大于其平衡常数。
炉内的CO浓度控制在1％～5％，CO2的浓度为0.16％，CO和CO2浓度的比值Kp1在6.25～31.25；
炉内的H2浓度控制在2％～10％，H2O浓度为0.4％，H2和H2O浓度的比值Kp2大于在5～25。
所述酸洗时间为25～35分钟，酸洗浓度为8～11％，酸洗温度为55～65℃。
所述烘干时间为25～35分钟，烘干温度为280～320℃。
所述可控气氛热处理时间为45～55分钟，温度为750～850℃。
另一方面，一种空心传动轴管，所述空心传动轴管的表面脱碳≤0.07mm，扭转疲劳性能性≥30万次。
所述空心传动轴管的表面由所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺进行表面脱碳处理。
在上述的技术方案中，本发明所提供的一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺及其空心传动轴管，能将钢管表面脱碳由0.1～0.15mm控制在0.07mm以下，钢管的脱碳得到了有效控制；只在热处理前增加酸洗和烘干工序，热处理在可控气氛炉中执行，其他工序及工艺参数不变，钢管表面脱碳控制范围不大于0.07mm；满足汽车空心传动轴管的力学性能，同时扭转疲劳性能性≥30万次，满足传动轴的设计要求。
附图说明
图1是现有控制工艺的流程图；
图2是本发明控制工艺的流程图；
图3是材料的全脱碳层温度和时间曲线的示意图；
图4是现有控制工艺与本发明控制工艺热处理后钢管外表面脱碳金相对比图；
图5是现有控制工艺与本发明控制工艺热处理后钢管内表面脱碳金相对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图2所示，本发明所提供的一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，包括以下流程：
管坯加热-轧管-酸洗-烘干-可控气氛热处理-冷加工(冷拔)-精整检验(ET+UT)-入库。
如图3所示，可以看出材料的脱碳敏感温度区间在775～850℃之间，而材料的热处理温度正好在这一区间内，容易产生脱碳。
本发明控制工艺，首先将热处理工序由保护气氛热处理改为可控气氛热处理炉，因为保护气氛热处理炉只能控制钢管表面氧化的产生，不具备抑制脱碳产生的能力。而可控气氛热处理炉，除了具有氮气保护，同时还能进行天然气裂化分解，获得具有还原性的RX气(CO、H2、N2)，在热处理内形成一定的碳势控制，从而抑制钢管表面脱碳的产生。
可控气氛热处理炉抑制脱碳产生的原理一：热处理内CO2是脱碳的主要因素之一，钢管在CO和CO2的气氛中会发生可逆的还原-氧化反应：Fe+CO2＝FeO+CO。可控气氛热处理炉能产生CO，CO和CO2的浓度比值为Kp1，即Kp1＝CO浓度/CO2浓度。表一示出了在不同温度下的CO和CO2对铁的氧化还原反应平衡常数。在一定温度下，根据混合气中CO和CO2实际浓度比可以判别反应方向。当CO和CO2的浓度比小于表一中的平衡常数Kp1时，炉内为氧化性气氛，钢管表面形成脱碳；当CO和CO2的浓度比大于表一中的平衡常数Kp1时，炉内为还原性气氛，能抑制钢管表面的脱碳。
根据本发明的实施例，可控气氛热处理炉通过控制热处理炉内CO的浓度，确保炉内的CO和CO2的浓度比大于表一中的平衡常数Kp1，此时炉内为还原性气氛，能抑制钢管表面的脱碳。
实际现场中，热处理炉内的CO的浓度控制在1％～5％，CO2的浓度为0.16％，因此，CO和CO2的浓度比的Kp1实际值的范围控制6.25～31.25，大于表中的Kp1平衡常数值，能满足要求。在表一中，材料的热处理温度800℃时，Kp1平衡常数值为1.795。
表一CO和CO2对铁的氧化还原反应平衡常数
Figure BDA0002422787630000041
可控气氛热处理炉抑制脱碳产生的原理二：热处理内H2O也是脱碳的主要因素之一，钢管在H2和H2O的气氛中会发生可逆的还原-氧化反应：Fe+H2O＝FeO+H2。可控气氛热处理炉能产生H2，H2和H2O的浓度比值为Kp2即Kp2＝H2浓度/H2O浓度。表二列出在不同温度下的H2和H2O对铁的氧化还原反应平衡常数。在一定温度下，根据混合气中H2和H2O实际浓度比可判别反应方向。当H2和H2O实际浓度比小于平衡常数Kp2时，炉内为氧化性气氛，钢管表面形成脱碳；当H2和H2O实际浓度比大于常数Kp2时，炉内为还原性气氛，能抑制钢管表面的脱碳。
根据本发明的实施例，可控气氛热处理炉通过控制热处理炉内H2的浓度，确保炉内H2和H2O实际浓度比大于表二中的平衡常数Kp2，此时炉内为还原性气氛，能抑制钢管表面的脱碳。
实际现场，热处理炉内的H2的浓度控制在2％～10％，热处理炉内的H2O的浓度为0.4％，Kp2实际值在5～25，大于表二中的Kp2平衡常数值，能满足要求。在表二中，材料的热处理温度800℃时，Kp2平衡常数值为1.92。
表二H2和H2O对铁的氧化还原反应平衡常数
Figure BDA0002422787630000051
钢管热处理前增加酸洗、烘干工序的原理：钢管的外表面在可控气氛热处理中始终处于还原性气氛中，从而抑制表面脱碳的产生；而钢管的内表面存在润滑剂(热轧生产所需的芯棒润滑剂)、H2O及氧化皮，入炉加热后分解反应生成氧化性气体，钢管内表面的气体无法与炉内的气体进行交换，导致钢管内表面处于氧化性气氛控制中，形成钢管内表面的脱碳。钢管热处理前进行酸洗处理，清理钢管内表面的氧化皮及润滑剂；钢管热处理前进行烘干处理，清理钢管内表面的H2O；保证钢管内表面不生成氧化性气体，从而抑制内表面脱碳的产生。
本发明还提供了一种空心传动轴管，空心传动轴管的表面脱碳≤0.07mm，扭转疲劳性能性≥30万次，其表面是由汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺进行表面脱碳处理。
实施例
常规工序轧管：钢管规格CK35 63×5.5。
新增酸洗：钢管规格CK35 63×5.5，钢管首先进行酸洗处理，酸洗时间30分钟，酸洗浓度10％，酸洗温度60℃。
新增烘干：钢管规格CK35 63×5.5，酸洗后的钢管进行烘干处理，烘干温度300℃烘干时间30分钟。
指定热处理设备热处理：钢管规格CK35 63×5.5，在可控气氛热处理炉中热处理，热处理温度750～850℃，热处理时间50分钟，炉内气氛控制Kp1实际值为20，Kp2实际值为20。
常规工序冷加工：热处理后的钢管冷加工至成品钢管规格CK35 42×3，轧态交货。
如图4至图5所示，现有控制工艺热处理后钢管外表面脱碳为0.11mm，内表面脱碳为0.13mm；而执行本发明控制工艺，热处理钢管内外表面未见明显脱碳。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，其特征在于，包括以下流程：
管坯加热-轧管-酸洗-烘干-可控气氛热处理-冷加工-精整检验-入库；
所述酸洗为清理钢管内表面的氧化皮及润滑剂；
所述烘干为清理钢管内表面的H2O；
所述可控气氛热处理采用可控气氛热处理炉，控制炉内的CO的浓度，实现CO和CO2浓度的实际比值Kp1大于其平衡常数；
控制炉内的H2的浓度，实现H2和H2O浓度的实际比值Kp2大于其平衡常数。
2.如权利要求1所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，其特征在于：炉内的CO浓度控制在1％～5％，CO2的浓度为0.16％，CO和CO2浓度的比值Kp1在6.25～31.25；
炉内的H2浓度控制在2％～10％，H2O浓度为0.4％，H2和H2O浓度的比值Kp2大于在5～25。
3.如权利要求1所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，其特征在于：所述酸洗时间为25～35分钟，酸洗浓度为8～11％，酸洗温度为55～65℃。
4.如权利要求1所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，其特征在于：所述烘干时间为25～35分钟，烘干温度为280～320℃。
5.如权利要求1所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺，其特征在于：所述可控气氛热处理时间为45～55分钟，温度为750～850℃。
6.一种空心传动轴管，其特征在于：所述空心传动轴管的表面脱碳≤0.07mm，扭转疲劳性能性≥30万次。
7.如权利要求6所述的空心传动轴管，其特征在于：所述空心传动轴管的表面由权利要求1-5任一项所述的汽车空心传动轴管表面脱碳的控制工艺进行表面脱碳处理。
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