CN103409698A - 一种合金钢及用此种钢制作扭力轴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扭力轴用钢及用此种钢制作扭力轴的方法，解决了目前钢制扭力轴强度低的问题。扭力轴用钢材料为40Si2Ni2CrMoV，合金元素成份及配比为：C：0.35-0.5，Si：1.5-2.3，Mn：≤0.05，Cr：0.5-1.5，Ni：0.8-3.5，Mo：0.4-0.8，Ca：0.0005-0.008，P：≤0.010，S：≤0.005，0.05-0.2的V或0.02-0.1的Nb或0.05-0.15的V和0.02-0.06的Nb，其余为Fe及杂质。制造扭力轴的方法，包括以下步骤：锻造-机加粗工-热处理-零件精加工-滚压强化-强扭，本发明的钢除用于制造扭力轴外，还可作为优质弹簧钢使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金钢及用此种钢制作扭力轴的方法。
背景技术
目前，我国坦克装甲车辆扭力轴材料为45CrNiMoVA合金钢，常规热处理工艺为：860℃油淬和460℃左右中温回火处理，抗拉强度在1500MPa左右。随着坦克装甲车辆的重量越来越大，对整车的机动性能的要求又越来越高，现行的45CrNiMoVA合金钢性能已不能适应扭力轴设计需求。我国自1958年开始生产坦克，四十多年来，坦克车重从早期的36吨增加到现役装备的55吨。通过不断深挖45CrNiMoVA钢扭力轴材料的潜能，工艺上采取降低热处理回火温度牺牲韧性指标增加强度来满足对强度指标的需求，导致45CrNiMoVA钢制扭力轴强度的保险系数随坦克车重的增加越降越低。在现役主战坦克、轻型坦克以及履带式装甲车辆等多种型号装备中均出现不同程度扭力轴早期断裂失效现象。
发明内容
本发明通过提供一种材料为40Si2Ni2CrMoV的合金钢及用此种材料来制造扭力轴的方法，解决了目前45CrNiMoVA钢制扭力轴强度低、不能适应设计需求的问题。
本发明是由以下技术方案实现的：
一种合金钢，材料为40Si2Ni2CrMoV，其合金元素成份及配比(重量百分比)如下：
C：0.35-0.5，Si：1.5-2.3，Mn：≤0.05，Cr：0.5-1.5，Ni：0.8-3.5，Mo：0.4-0.8，Ca：0.0005-0.008，P：≤0.010，S：≤0.005，其余为Fe及杂质，另外，上述合金成分还含有0.05-0.2％的V或0.02-0.1％的Nb或同时含有0.05-0.15％的V和0.02-0.06％的Nb。
一种用上述合金钢制造扭力轴的方法，包括以下步骤：锻造-机加粗工-热处理-零件精加工-滚压强化-强扭，具体方法如下：
(1)锻造工艺：
在始锻温度1300℃下保温40分钟，进行顶锻；锻后进行正火热处理，正火温度为900℃保温3.5小时空冷，回火温度为650℃保温5.0小时，出炉空冷，再进行去应力回火，回火温度为500℃，保温4.0小时后空冷；
(2)毛坯粗加工：
将锻造后毛坯进行粗加工；
(3)热处理：
将粗加工后的扭力轴进行热处理，即强韧化处理，扭力轴淬火的奥氏体化温度为880±20℃，保温时间为4小时，淬火介质为淬火油，再回火处理，油温为50±10℃，回火温度为300±20℃，保温时间3小时，出炉空冷；
(4)零件精加工：
将热处理后的扭力轴进行磨削精加工；
(4)滚压强化：
完成强韧化处理后，进行表面滚压强化；
(5)强扭：
具体工艺为：首道扭转角度162±1°，卸载后再扭转至162±1°，如此反复，扭转总次数为6次；二次扭转角度120±1°，卸载后再扭转至120±1°，如此反复，扭转总次数为4次，多道次强扭处理后，扭力轴达到其最大扭转角度180-220°。
本发明的合金钢的名义屈服强度范围为1600-2000MPa。与现有扭力轴钢45CrNiMoV钢相比，不仅强度水平从1500MPa级提高到1600MPa级，而且断裂韧性提高30％，剪切强度提高10％，扭转疲劳极限提高15％以上。同时，力学性能优良、冶炼方法简单，疲劳寿命长，提升了坦克装甲车辆的承载能力和机动性。
本发明的钢种除了用于制造扭力轴外，还可作为优质弹簧钢使用。
具体实施方式
本发明的一种合金钢，材料为40Si2Ni2CrMoV，其合金元素成份及配比(重量百分比)如下：
C：0.35-0.5，Si：1.5-2.3，Mn：≤0.05，Cr：0.5-1.5，Ni：0.8-3.5，Mo：0.4-0.8，Ca：0.0005-0.008，P：≤0.010，S：≤0.005，其余为Fe及杂质。另外，上述合金成分还含有0.05-0.2％的V或0.02-0.1％的Nb或同时含有0.05-0.15％的V和0.02-0.06％的Nb。通过降低钢中的Mn含量及冶炼时进行Ca处理，使钢中的夹杂物以颗粒状CaS形式分布在奥氏体晶内，避免沿晶界的MnS析出，从而大幅提高断裂韧性。具体冶炼工艺可采用以下三种流程之一：
1、原材料准备-电弧炉冶炼-炉外精炼(LF+VD／RH)-浇注电极-电渣重熔炉冶炼-浇注电渣锭-电渣锭加热锻造或轧制成材-退火。
2、原材料准备-转炉冶炼-炉外精炼(LF+VD／RH)-浇注电极-电渣重熔炉冶炼-浇注电渣锭-电渣锭加热锻造或轧制成材——退火。
3、原材料准备-真空感应炉冶炼-浇注电极或浇注钢锭再锻造成电极-电渣重熔炉冶炼-浇注电渣锭-电渣锭加热锻造或轧制成材-退火。
为严格控制S、P含量，原材料采用低S、P含量的金属或合金料。真空感应炉熔炼主要为提升钢的洁净度，突出表现在S含量和P含量上，退火温度为600-800℃。
采用电渣重熔工艺将40Si2Ni2CrMoV合金钢φ510mm电极棒重熔成φ660mm钢锭，电渣全程采用氩气保护。
用上述扭力轴用钢制造扭力轴的方法，包括以下步骤：锻造-机加粗工-热处理-零件精加工-滚压强化-强扭，具体方法如下：
(1)锻造工艺：
在始锻温度1300℃下保温40分钟，进行顶锻；锻后进行正火热处理，正火温度为900℃保温3.5小时空冷，回火温度为650℃保温5.0小时，出炉空冷，再进行去应力回火，回火温度为500℃，保温4.0小时后空冷；
(2)毛坯粗加工：
将锻造后毛坯进行粗加工；
(3)热处理：
将粗加工后的扭力轴进行热处理，即强韧化处理，扭力轴淬火的奥氏体化温度为880±20℃，保温时间为4小时，淬火介质为淬火油，再回火处理，油温为50±10℃，回火温度为300±20℃，保温时间3小时，出炉空冷；
(4)零件精加工：
将热处理后的扭力轴进行磨削精加工；
(4)滚压强化：
完成强韧化处理后，进行表面滚压强化；
(5)强扭：
具体工艺为：首道扭转角度162±1°，卸载后再扭转至162±1°，如此反复，扭转总次数为6次；二次扭转角度120±1°，卸载后再扭转至120±1°，如此反复，扭转总次数为4次，多道次强扭处理后，扭力轴达到其最大扭转角度180-220°。
本发明扭力轴制造工艺由强韧化处理和多道次强扭两部分组成，特别是多道次强扭工艺的实施，与传统上采用最大扭转角一次强扭成型工艺相比，能显著提升扭力轴的使用寿命。
通过对本发明新材料合金钢进行耐久寿命试验和破坏性试验，结果表明：材料为40Si2Ni2CrMoV合金钢的扭力轴在动扭角为70°(扭转角范围为12.5°～83.0°)、扭转次数均大于45000次时，进行耐久性试验，最大残余变形角为2.11°。在动扭角为79°(扭转角范围为8.1°～87.0°)时，进行破坏性试验，扭转至84225次破断，指标明显优于现用材料45CrNiMoVA钢。实验结果表明：本发明新型合金钢可以显著提高坦克装甲车辆扭力轴的服役寿命，提升坦克装甲车辆整体机动性能，满足悬挂系统设计寿命指标要求。
Claims (2)
1.一种扭力轴用钢，其特征为：材料为40Si2Ni2CrMoV合金钢，其合金元素成份及配比(重量百分比)如下：
C：0.35-0.5，Si：1.5-2.3，Mn：≤0.05，Cr：0.5-1.5，Ni：0.8-3.5，Mo：0.4-0.8，Ca：0.0005-0.008，P：≤0.010，S：≤0.005，0.05-0.2的V或0.02-0.1的Nb或同时含有0.05-0.15的V和0.02-0.06的Nb，其余为Fe及杂质。
2.一种用权利要求1所述的扭力轴用钢制造扭力轴的方法，其特征是：包括以下步骤：锻造-机加粗工-热处理-零件精加工-滚压强化-强扭，具体方法如下：
(1)锻造工艺：
在始锻温度1300℃下保温40分钟，进行顶锻；锻后进行正火热处理，正火温度为900℃保温3.5小时空冷，回火温度为650℃保温5.0小时，出炉空冷，再进行去应力回火，回火温度为500℃，保温4.0小时后空冷；
(2)毛坯粗加工：
将锻造后毛坯进行粗加工；
(3)热处理：
将粗加工后的扭力轴进行热处理，即强韧化处理，扭力轴淬火的奥氏体化温度为880±20℃，保温时间为4小时，淬火介质为淬火油，再回火处理，油温为50±10℃，回火温度为300±20℃，保温时间3小时，出炉空冷；
(4)零件精加工：
将热处理后的扭力轴进行磨削精加工；
(4)滚压强化：
完成强韧化处理后，进行表面滚压强化；
(5)强扭：
具体工艺为：首道扭转角度162±1°，卸载后再扭转至162±1°，如此反复，扭转总次数为6次；二次扭转角度120±1°，卸载后再扭转至120±1°，如此反复，扭转总次数为4次，多道次强扭处理后，扭力轴达到其最大扭转角度180-220°。
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