一种SUV转向臂轴锻件分模面磁痕分析及锻造工艺改进（下）

《一种SUV转向臂轴锻件分模面磁痕分析及锻造工艺改进》（上）见《锻造与冲压》2018年第7期

检验转向臂轴内部金属流线对产生缺陷的影响

⑴理论和模拟分析。

现有的加工工艺为：先将加热后的棒料放在模具上进行锻打一次，锻打结束后上下模的间隙为0。由于转向臂轴齿部相对杆部位置较粗，毛坯在挤压的过程中要将转向臂轴的齿部位置充满，导致杆部要排出多余金属来填充齿部。在挤压过程中，可以明显看到心部金属外溢，经验分析与软件模拟结果一致。

⑵实验验证上述推论。

实验方案：使用前期A钢厂20CrMnTi、φ50mm、40845370炉批号钢材，下料285mm，中心钻不同直径的孔，插入相应尺寸的45#钢材，如图6(a)所示，按照现行的转向臂轴锻造工艺锻打后剖切截面看金属流动情况。

从实验照片图6(b)中可以看出，心部φ25mm的棒料已经溢流到分模面外；心部φ30mm的棒料流出更多、更明显。说明心部非致密层的面积关系到分模面磁痕的严重程度。实验结果与理论推理、软件模拟的结果一致。

图6 实验情况

综上，钢材不可避免地存在程度不同的非金属夹杂物、中心疏松、偏析及带状组织等缺陷。在整个形变过程中原材料中心部位的缺陷和非金属夹杂物朝分模面和飞边汇集而密集于切边处。对于锻造可变形的非金属夹杂物，如硫化物和多数硅酸盐等，在分模面沿金属延伸方向呈片状形式存在。对于锻造不可变形的非金属夹杂物，如氧化物和氮化物等，则分布在分模面沿金属延伸方向而呈面状集团形式存在，从而引起金属在分模面处分层。当金属充满型腔后，由于飞边进一步减薄、冷却和桥口摩擦等原因，多余金属流出桥口阻力极大，只有很少量的金属流出桥口。集聚在桥口附近的片状、面状非金属夹杂物和带状组织几经压缩，最终残留在锻件的分模面处，探伤时形成磁粉堆积，出现磁痕现象。

依托第三方检测机构进一步验证转向臂轴缺陷存在的原因

图7为中国一拖集团有限公司工艺材料研究所出具的检测报告的结论部分。表3为三个检测机构的检测结论，从第三方检测报告可以总结出：此次磁痕问题的根本原因为钢材疏松、非金属夹杂、带状等内部缺陷溢流到分模面所致。

表3 第三方检测机构的检测结论

图7 中国一拖工材所检测报告结论部分

工艺改进

综合各个过程调查的情况和第三方检测结果，说明现有转向臂轴锻造工艺对钢材本身质量要求非常敏感，为此提出两个方向的改进：⑴通过锻造工艺的改进，减少钢材心部组织外溢的方式，控制磁痕产生比例。⑵与钢材生产厂家一同进行控制钢材中心非致密层的研究，确定最终能满足客户加工要求的中心非致密层尺寸（图8两箭头之间位置）。

采用局部镦粗+锻打的新工艺，使用的钢材为A钢厂的20CrMnTi、φ40mm的棒料，生产50件产品，批次为5231、棒料长度385～390mm。优化后的实验工艺为：中频加热→局部镦粗（实验时用400t压力机）→锻造（1000t压力机）→切边（250t切边机）→正火（台车炉）→表面清理→磁粉探伤→包装/发货。

图8 致密层示意图

毛坯粗车后探伤未发现分模面磁痕，测量产品重量、产品尺寸、切边后料边厚度、切边方向尺寸均达到要求。采用正火+不完全淬火+回火，工艺要求达到210～257HB，实测合格；产品金相组织为2级合格。

工艺更改前后产品金属的流线如图9所示，从图中很清楚看到局部镦粗工艺杆部直径方向比现有工艺致密，流线较集中的中心位置未被切断。

图9 产品金属流线对比图

结论

⑴在转向臂轴工艺过程复检的过程中发现：钢材供应商未对心部疏松面积进行规定。

⑵转向臂轴产生非相关磁痕的原因可以大致归为：1)内部原因。材料本身金属组织的不均匀是导致非相关磁痕产生的主要原因，通过改进和降低材料本身的带状组织和金属组织的不均匀度，可以有效降低磁痕的产生。2)外部原因。压力机锻造时，金属不均匀向周围扩展，导致轴向的带状组织和流线被剪断，断裂部位产生成分和组织突变，导致该部位产生非相关磁痕。

⑶优化锻造工艺过程，采用局部镦粗+锻造的新工艺，尽量减少锻造过程中的异常变形，有助于减少分模面磁痕的产生及优化臂轴内部金属流线。

⑷进行控制钢材中心非致密层的研究，确定最终能满足客户加工要求的中心非致密层尺寸，也将大大减小锻造时钢材内部金属向外溢出的程度。