40Cr钢转向节轴部直径对其淬火态组织和硬度的影响

2022-01-25周文华范志君季欣威姜能文周细应

上海金属 2022年1期

祁斌周文华范志君袁松季欣威姜能文徐忠周细应

（1.上海嘉仕久企业发展有限公司，上海 202150；2.上海工程技术大学材料工程学院，上海 201600）

高强钢在汽车轻量化、节能减排、成本方面具有一定的优势与潜力，目前仍是汽车生产的主要材料［1-2］。40Cr钢是机械制造业应用最广泛的钢种之一，调质处理后具有良好的综合力学性能［3］。目前，汽车转向节最常用的热处理工艺是锻后余热淬火，这种工艺既节能又可减小零件的变形和开裂倾向，且轴径小于50 mm的转向节能被淬透［4-6］。本文研究了不同轴径的40Cr钢转向节锻造后重新加热淬火后的显微组织和硬度，以期为获得综合性能良好的40Cr钢汽车转向节提供依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用40Cr钢汽车转向节如图1所示，其化学成分如表1所示，符合国家标准。

图1 汽车转向节Fig.1 Automobile steering knuckle

表1 转向节的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the steering knuckle （mass fraction） %

1.2 试验方法

将轴部直径为50和70 mm的40Cr钢转向节加热至860℃保温120 min后水淬（对水进行搅拌）。从转向节轴部取样，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液对抛光后的试样进行侵蚀，然后检测显微组织。采用饱和苦味酸溶液侵蚀试样，按GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》评定钢的晶粒度。检测洛氏硬度（HRC）。

2 试验结果与分析

2.1 轴径对转向节淬火组织的影响

轴径为70和50 mm的转向节淬火后的显微组织如图2、图3所示。可以看出，两种轴径的转向节表面组织均为马氏体，呈板条状或针状。随着与表面距离的增大，两种轴径转向节的显微组织开始显示出差异：轴径70 mm的转向节距其表面15 mm处的组织为贝氏体＋马氏体＋铁素体，距表面25 mm处的组织为珠光体＋铁素体（部分铁素体呈网状）；而轴径50 mm的转向节距表面15 mm处的组织仍为马氏体，芯部为马氏体＋贝氏体。

图2 轴径为70 mm的转向节淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）处的显微组织Fig.2 Microstructures at surface（a），15（b）and 25 mm（c）below surface for the as-quenched steering knuckle with a 70-mm-diam shaft

图3 轴径为50 mm的转向节淬火后表面（a）和距表面15（b）、25mm（c）处的显微组织Fig.3 Microstructures at surface（a），15（b）and 25 mm（c）below surface for the as-quenched steering knuckle with a 50-mm-diam shaft

轴径不同的转向节淬火后从表面到芯部的晶粒大小如图4、图5所示。可以看出，随着与表面距离的增大，轴径为70 mm的转向节晶粒变得粗大（图4）；轴径为50 mm的转向节在表面和距表面15 mm处的晶粒尺寸相差不大，而芯部的晶粒尺寸显著增大（图5）。对比发现，轴径为70 mm的转向节距表面25 mm处的晶粒比轴径为50 mm的转向节相同部位的晶粒大得多。轴径为70 mm的转向节尺寸较大，淬火加热时仅仅芯部达到了奥氏体化温度，奥氏体未均匀化，淬火冷却速度较慢，从而保留了较粗大的原奥氏体晶粒［7-9］。两种轴径转向节的晶粒度评定结果如表2所示。

图4 轴径为70 mm的转向节淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）处的晶粒Fig.4 Grains at surface（a），15（b）and 25 mm（c）below surface for the as-quenched steering knuckle with a 70-mm-diam shaft

图5 轴径为50 mm的转向节淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）处的晶粒Fig.5 Grains at surface（a），15（b）and 25 mm（c）below surface for the as-quenched steering knuckle with a 50-mm-diam shaft

表2 不同轴径转向节淬火后表面和芯部的晶粒度Table 2 Grain sizes at surface and in core of the as-quenched steering knuckles differing in shaft diameter

2.2 轴径对转向节淬火后硬度的影响

淬火后轴径为50和70 mm的转向节的截面硬度如图6所示。转向节淬火后要进行切削加工，因此从表面至距表面15 mm处的平均硬度是重要的性能指标。图6表明，轴径为50 mm的转向节0～15 mm表层的硬度较高且变化不大，约为55HRC；轴径为70mm的转向节从表面到距表面15 mm处的硬度略有下降，约为50 HRC。总体上轴径为70 mm的转向节平均硬度低于轴径为50 mm的转向节，两种转向节0～15 mm表层的平均硬度均达到了要求。

图6 不同轴径转向节淬火后的截面硬度分布Fig.6 Hardness distribution at cross-section of the as-quenched steering knuckles differing in shaft diameter

3 讨论

上述试验结果表明：50 mm轴径的转向节基本淬透，而70 mm轴径的转向节没有淬透。淬火时转向节从表面至芯部存在温度梯度，不同部位的冷却速率不同。由40Cr钢的奥氏体连续冷却转变曲线可知：转向节表面直接与淬火介质接触，得到全马氏体组织；从表面到芯部冷却速率逐渐降低，发生贝氏体或珠光体转变，甚至析出铁素体。轴径为50 mm的转向节尺寸较小，在距表面15 mm处和芯部均为马氏体。在本文试验条件下，40Cr钢转向节淬硬层深度为50 ～70 mm［10］。

因不同轴径的转向节淬火后组织有如上所述的变化，所以其截面硬度才有如图6所示的变化规律。两种轴径的转向节淬火后表面均为马氏体，但由于是40Cr钢，两种转向节表面硬度相差不大［9］。随着与表面距离的增大，轴径为70 mm的转向节有贝氏体，更深的部位有珠光体和网状铁素体，所以其硬度在0～15 mm的表层只是略微下降，而距表面25 mm处硬度下降明显；轴径50 mm的转向节因淬火冷却速率快，在0～15 mm表层组织主要为马氏体，所以硬度基本不变。