42CrMo钢直拉杆臂成形工艺与微观组织演变研究

2015-11-16李伟陈文琳陈国强何庆伟

金属加工(热加工) 2015年3期

李伟，陈文琳，陈国强，何庆伟

材料微观组织结构直接影响着产品外在特性，根据霍尔-佩奇理论，材料平均晶粒尺寸越小，其强度硬度越高。热锻成形过程不仅使材料发生了塑性变形，同时，也通过奥氏体动态再结晶与晶粒长大使锻件奥氏体晶粒度发生变化。汽车直拉杆臂是汽车转向系统重要零件，作为汽车保安件，对其微观组织和力学性能等有着较高的要求。

奥氏体晶粒度作为衡量锻件质量的重要指标，越来越受到研究人员的重视。对连杆辊锻制坯过程中不同道次辊锻微观组织的演变规律进行研究，采用有限元软件成功预测了各工步变形过程中晶粒大小及变化趋势。楔横轧不同变形阶段的微观组织演变研究，揭示了锻件在楔横轧成形过程中各个变形阶段（楔入段、展宽段和精整段）的微观组织演变规律，分析出了轧件平均晶粒尺寸在不同变形阶段变化的具体原因。

本文对42Cr Mo钢汽车直拉杆臂成形工艺与成形过程中奥氏体晶粒尺寸演变进行了模拟与试验研究，数值模拟结果与物理试验结果吻合良好，最终得到了符合要求的锻件，对于锻件晶粒度的预报具有一定的指导作用。

1. 汽车直拉杆臂成形工艺

汽车直拉杆臂如图1所示，该锻件为带弯曲的长轴类件，为典型的两头一杆形件，沿锻件轴向各部分截面尺寸变化较大，材料沿轴向分布不均，如何使金属材料合理分布是该锻件成形的难点。根据该锻件结构分布特征，应采用辊锻制坯—弯曲—终锻的成形工艺。

经理论计算，该锻件应采用φ60mm棒料经过四道次辊锻制坯才能得到所需毛坯。其成形工艺流程如图2所示。

图1 直拉杆臂锻件

2. 直拉杆臂热锻成形有限元模型

结合实际生产过程设置相关边界条件，模具材料为5Cr Ni Mo，模具温度200℃，坯料始锻温度1150℃，坯料与模具热交换系数为11N/(s·mm·℃)。采用微观组织演化模型，其中，本课题组对42Cr Mo钢加热过程中奥氏体晶粒长大进行了研究，并拟合得到各项参数，建立了奥氏体晶粒长大模型。材料初始奥氏体晶粒尺寸为1 37μm，建立如图3所示有限元模型。

3. 数值模拟结果分析

（ 1 ）辊锻制坯数值模拟直拉杆臂杆部金属坯料分布较少，在辊锻制坯中，主要是完成对杆部金属的重新分配，将杆部金属拔长。整个辊锻制坯过程塑性变形主要集中在杆部，辊锻制坯后，杆部坯料明显减少，毛坯在轴向方向被拔长，达到了坯料分配的目的。

图4为经过四道次辊锻后奥氏体晶粒尺寸分布图与等效应变分布图。从图4中可以看出，金属坯料已经完成再分配，得到了模锻所需毛坯。坯料两头部P2、P3处晶粒尺寸为137μm，仍保留了原始奥氏体晶粒尺寸，没有发生动态再结晶与奥氏体晶粒长大现象。这是由于P2、P3处在辊锻时没有在型腔的作用下发生塑性变形，动态再结晶的发生需要足够的应变提供激活能。

从图4 b可见，P2、P 3处应变为0，因此P2、P3区域不能为动态再结晶发生提供足够的能量。奥氏体晶粒的长大需要足够的加热温度与保温时间，四道次辊锻变形所需时间为8s，时间较短，奥氏体晶粒没有足够激活能长大，因此未发生动态再结晶，P2、P3处奥氏体晶粒尺寸在四道次辊锻中未发生变化。

坯料杆部P 1处奥氏体晶粒尺寸为85μm，较初始奥氏体晶粒尺寸明显减小，细化率达到38%。这是由于在辊锻变形过程中，杆部一直处于大的塑性变形区域，从图4 b中也可以看出，塑性应变为1.4，此处的剧烈变形导致该区域产生大量位错攀移和滑移，随着塑性变形的加剧，位错密度继续增加并产生位错缠结，位错缠结导致晶粒内部产生亚晶粒，在较高的位错能作用下，亚晶粒逐渐长大，形成新的晶粒，完成动态再结晶，从而细化晶粒。

图2 直拉杆臂成形工艺流程

图3 直拉杆臂成形有限元模型

（2）弯曲及终锻过程数值模拟由于锻件形状特征，需要对辊锻件进行弯曲，使坯料符合终锻型腔在分模面上的形状要求。经弯曲后，坯料等效应变如图5所示。从图中可以明显看出，弯曲变形时，仅有局部区域发生塑性变形，其余区域发生转动、滑动，不产生塑性变形。分别在塑性变形区外表面及内部选取四个跟踪点，分析弯曲变形过程中微观组织的变化情况。

弯曲过程中各跟踪点处平均晶粒尺寸的变化曲线如图6所示，弯曲过程中各点处的平均晶粒尺寸均减小。点1~9的平均晶粒尺寸细化程度分别为：6.1%、2.5%、5.5%、2.4%、1.1%、1.3%、1.4%、1.4%、0.9%，表明弯曲对晶粒细化作用影响较小。由于变形主要集中在P1、P3，更容易发生动态再结晶，所以晶粒细化程度较高，其他区域变形较小，难以发生动态再结晶，晶粒细化程度较低。

直拉杆臂终锻成形后奥氏体晶粒分布如图7所示，从图中可以看出，锻件飞边分布均匀，无折叠、充不满等缺陷，验证了成形工艺方案的正确性。锻件杆部奥氏体晶粒细化明显，根据霍尔—佩奇理论，杆部细晶区的力学性能较好，因此锻件杆部可以设计较小截面，这与该锻件杆部截面小于两头部也是相对应的。从图中还可以看出，飞边区域奥氏体晶粒尺寸明显大于锻件本体，在终锻成形时，金属坯料在终锻模具作用下发生塑性变形，当应变达到临界值时，材料就开始发生奥氏体动态再结晶，晶粒得到细化，但由于飞边区域塑性变形过于剧烈，变形时产生大量的热量来不及散失，导致此处温度较高，造成已经动态再结晶细化了的奥氏体晶粒发生二次长大，使得晶粒粗化。

图4 辊锻成形奥氏体晶粒尺寸与等效应变分布

图 5

图6 弯曲过程中各跟踪点平均晶粒尺寸变化

图7 终锻件奥氏体晶粒分布

4. 直拉杆臂成形试验结果与分析

为进一步验证上述工艺设计，需对成形工艺方案及微观组织演变进行物理试验，为尽量保证物理试验与数值模拟的一致性，将所建立辊锻模具几何模型导入加工中心中，按照确定设计方案加工模具，采用42Cr Mo钢棒料对直拉杆臂成形过程进行调试。

各工步成形结果如图8 所示。从图中可以看出，物理试验结果与数值模拟结果基本一致，进一步验证了成形工艺方案的正确性，同时也验证了模拟结果的可靠性。

在有限元数值模拟中，微观组织的模拟与其宏观的成形工艺模拟不尽相同，因此也需要对微观组织的预报进行物理验证。锻件经过切边、校正后立刻将工件放入水中冷却以保留其奥氏体晶界，在与图4相对应P1、P2、P3处截取金相试样，磨抛后采用饱和苦味酸、十二烷基苯磺酸钠溶液腐蚀，各区域金相组织如图9所示，按照ASTM晶粒度测量标准，通过金相定量法对各试样金相组织进行晶粒度测量，P1、P2、P3三处奥氏体晶粒尺寸分别为97μm、137μm、137μm，P 1处奥氏体晶粒得到了明显细化，P2、P3处奥氏体晶粒尺寸未发生变化，与有限元预报结果非常相近，最大误差5.3%，验证了有限元数值模拟结果的正确性，可见，采用有限元数值模拟技术能够比较准确地对连续局部塑性变形奥氏体晶粒尺寸演化进行预报。