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CN112301208A - 一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴 - Google Patents

一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴 Download PDF

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CN112301208A
CN112301208A CN201910674703.5A CN201910674703A CN112301208A CN 112301208 A CN112301208 A CN 112301208A CN 201910674703 A CN201910674703 A CN 201910674703A CN 112301208 A CN112301208 A CN 112301208A
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induction heat
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严超峰
包耀宗
林牧
谢余
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Guangdong Zhongkun Vanadium Steel Technology Co ltd
Original Assignee
Guangdong Zhongkun Vanadium Steel Technology Co ltd
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Abstract

一种非调质钢电机轴感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴,属于非调质钢材料热处理领域，其特征在于，感应热处理方法包括以下步骤：（1）机器人自动上料；（2）机床门自动关闭；（3）感应器前移；（4）同时加热；（5）喷液冷却；（6）感应器后移；（7）机床门自动打开；（8）机器人自动取料，即完成该非调质钢电机轴感应热处理工艺，依次循环实施该非调质钢电机轴的感应热处理工艺。本发明的有益效果是：通过采用一种高强韧性非调质钢50MnSiV代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序，可节约该电机轴制造能耗的75%以上，降低成本5%‑30%，同时提高该电机轴静扭转强度25%以上和提高扭转疲劳寿命40%以上。

Description

一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造 的电机轴
技术领域
本发明涉及一种非调质钢电机轴的感应热处理方法及采用该方法制造的电机轴，属于非调质钢材料热处理领域。
背景技术
近年来全球新能源汽车发展持续高速增长，根据BNEF预测，到2025年全球新能源汽车的销量将达到1100万辆，随着新能源汽车性能提升以及改善，新能源汽车带来的冲击越来越大，市场渗透率随之提升。我国是全球最大的新能源汽车市场，也是增长最快的市场，是推动全球新能源车市场增长的主要驱动力。
根据《汽车产业中长期发展规划》和《节能与新能源汽车技术路线图》提出的目标，未来10-15年新能源汽车逐渐成为主流产品，汽车产业初步实现电动化转型。相对于我国传统汽车每年接近3000万辆的产销市场，新能源汽车产销量渗透率不到3%，行业处于高速增长的初期阶段。依据第一电动研究院数据，2015-2017年整个新能源汽车驱动电机的装机量分别高达38.93、51.86、81.25万台，与新能源汽车产量近似。我国前10家厂商中驱动电机装机量占总装机量的60%以上，市场集中度较高。
新能源电动汽车电机作为传统发动机功能的替代，其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标，新兴电机的技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。随着我国对于新能源汽车的大力支持，作为新能源汽车三大件中的电机必将引来蓬勃的发展。而电机轴作为电机的核心零件具有广阔的发展潜力，且电机驱动系统传动部分要承受行驶过程中复杂的交变负荷，所以对驱动电机花键输出轴的性能有很高的要求。目前电动汽车驱动电机花键输出轴大多使用合金渗碳钢20CrMnTiH、采用正火+渗碳淬火＋回火的工艺保证心部的韧性和表面的硬度。在机械性能由正火+渗碳等热处理工艺来保证的前提下，不仅部件的变形需矫直不可避免，加工精度和装配精度得不到强有力的保证，而且截面的性能不均匀，往往使电机花键轴在服役过程中在其薄弱环节部位特别是花键部位早期失效；同时热处理需要耗费大量的能源，生产周期长、生产成本高，严重制约着新能源电动汽车性能的提高和产业的健康发展。另外，使用20CrMnTi、42CrMo、40Cr和45钢等需要热处理材料的其它花键轴、齿轮和齿轮轴等零部件，也存在上述问题，亟待新材料替代和新工艺实施，缩短工艺流程、提高零件可靠性，降低能耗和制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种通过非调质钢的材料化学成分的优化，依靠Nb、V和Ti微合金复合化技术及控制轧制和控制冷却等工艺，获得一种高强韧性能的非调质钢50MnSiV，代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序，实现节约制造能耗，降低成本，提高电机轴强度和寿命的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴。
上述的目的通过以下技术方案实现：
1.一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的感应热处理方法包括以下步骤：（1）机器人自动上料；（2）机床门自动关闭；（3）感应器前移；（4）同时加热；（5）喷液冷却；（6）感应器后移；（7）机床门自动打开；（8）机器人自动取料，即完成该非调质钢电机轴感应热处理工艺，依次循环实施该非调质钢电机轴的感应热处理工艺。
2.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢的牌号为50MnSiV，其化学成分按质量百分含量：C：0.48～0.52%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.10～1.30%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr：0.10～0.20%、Ni： 0.20～0.30%、Mo：0.03～0.07%、Nb：0.015～0.030%、V：0.08%～0.15%、Ti：0.015～0.025%、Al：0.010～0.025%、Cu ≤0.2%、N：120～200ppm、H≤2.0ppm、O≤15ppm；余量为Fe及不可避免杂质。
3.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的基体显微组织为珠光体（P）+铁素体（F）+不大于5%的贝氏体或马氏体，所述的铁素体的体积百分含量为5%-25%，奥氏体平均晶粒度7-10级，所述的珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
4.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的力学性能Rm≥920MPa，Rel≥550，A≥15，Z≥30，Aku≥35J，硬度255-320HB，截面性能均匀，能够替代20CrMnTiH、42CrMo和40Cr等钢材。
5.如1-4的任意一项所述的一种非调质钢电机轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，非调质钢电机轴原材料50MnSiV冶炼，通过转炉或电炉炼钢→钢包精炼→钢包真空脱气→连铸→控轧控冷制备圆钢；
步骤S2，非调质钢电机轴的锻压成型，对步骤S1所制成的圆钢锯切下料一定规格长度料段，通过φ80×L1000楔横轧锻压机锻压成电机轴毛坯；
步骤S3，非调质钢电机轴的机加工：对步骤S2所制成的电机轴毛坯通过车外圆→冷搓花键成型制成非调质钢电机轴；
步骤S4，非调质钢电机轴的感应热处理：如权利要求1所述对步骤S3制成的非调质钢电机轴进行感应热处理；
步骤S5，非调质钢电机轴的回火：对步骤S4所制成的非调质钢电机轴在箱式回火炉180-220℃至少回火1h后出炉空冷；
步骤S6，非调质钢电机轴100%探伤：对步骤S5所制成的非调质钢电机轴在磁粉探伤机进行100%探伤无裂纹；
步骤S7，对步骤S6所制成的非调质钢电机轴轴承部位在外圆磨床进行粗磨和精磨；
步骤S8，对步骤S7制成的电机轴进行打标识、清洗、涂油和包装。
6.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的表面感应淬火工艺参数，功率100-150kw，频率 10KHz-30KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa -0.3MPa，控制淬火加热温度900±20℃，加热时间10-15s，冷却30-40s轴径及花键表面硬度52-60HRC，有效硬化层DS（450HV3）=2-4mm。
相应地，本发明提供的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，通过采用一种高强韧性非调质钢50MnSiV代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序。
本发明的有益效果是：通过采用一种高强韧性非调质钢50MnSiV代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序，可节约该电机轴制造能耗的75%以上，降低成本5%-30%，同时提高该电机轴静扭转强度25%以上和提高扭转疲劳寿命40%以。
附图说明：
图1为本发明实施例中一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴剖样热酸蚀宏观形貌。
图2为本发明实施例中一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴剖样基体金相组织。
图3为本发明实施例中一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴剖样基体TEM微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
1.一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的感应热处理方法包括以下步骤：（1）机器人自动上料；（2）机床门自动关闭；（3）感应器前移；（4）同时加热；（5）喷液冷却；（6）感应器后移；（7）机床门自动打开；（8）机器人自动取料，即完成该非调质钢电机轴感应热处理工艺，依次循环实施该非调质钢电机轴的感应热处理工艺。
2.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢的牌号为50MnSiV，其化学成分按质量百分含量：C：0.48～0.52%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.10～1.30%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr：0.10～0.20%、Ni： 0.20～0.30%、Mo：0.03～0.07%、Nb：0.015～0.030%、V：0.08%～0.15%、Ti：0.015～0.025%、Al：0.010～0.025%、Cu ≤0.2%、N：120～200ppm、H≤2.0ppm、O≤15ppm；余量为Fe及不可避免杂质。
3.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的基体显微组织为珠光体（P）+铁素体（F）+不大于5%的贝氏体或马氏体，所述的铁素体的体积百分含量为5%-25%，奥氏体平均晶粒度7-10级，所述的珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
4.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的力学性能Rm≥920MPa，Rel≥550，A≥15，Z≥30，Aku≥35J，硬度255-320HB，截面性能均匀，能够替代20CrMnTiH、42CrMo和40Cr等钢材。
5.如1-4的任意一项所述的一种非调质钢电机轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，非调质钢电机轴原材料50MnSiV冶炼，通过转炉或电炉炼钢→钢包精炼→钢包真空脱气→连铸→控轧控冷制备圆钢；
步骤S2，非调质钢电机轴的锻压成型，对步骤S1所制成的圆钢锯切下料一定规格长度料段，通过φ80×L1000楔横轧锻压机锻压成电机轴毛坯；
步骤S3，非调质钢电机轴的机加工：对步骤S2所制成的电机轴毛坯通过车外圆→冷搓花键成型制成非调质钢电机轴；
步骤S4，非调质钢电机轴的感应热处理：如权利要求1所述对步骤S3制成的非调质钢电机轴进行感应热处理；
步骤S5，非调质钢电机轴的回火：对步骤S4所制成的非调质钢电机轴在箱式回火炉180-220℃至少回火1h后出炉空冷；
步骤S6，非调质钢电机轴100%探伤：对步骤S5所制成的非调质钢电机轴在磁粉探伤机进行100%探伤无裂纹；
步骤S7，对步骤S6所制成的非调质钢电机轴轴承部位在外圆磨床进行粗磨和精磨；
步骤S8，对步骤S7制成的电机轴进行打标识、清洗、涂油和包装。
6.所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的表面感应淬火工艺参数，功率100-150kw，频率 10KHz-30KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa -0.3MPa，控制淬火加热温度900±20℃，加热时间10-15s，冷却30-40s轴径及花键表面硬度52-60HRC，有效硬化层DS（450HV3）=2-4mm。
相应地，本发明提供的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，通过采用一种高强韧性非调质钢50MnSiV代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序，可节约该电机轴制造能耗的75%以上，降低成本5%-30%，同时提高该电机轴静扭转强度25%以上和提高扭转疲劳寿命40%以上。
实施例，参照附图。
一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，包括以下步骤。
步骤S1：非调质钢电机轴原材料50MnSiV冶炼，通过转炉或电炉炼钢→钢包精炼→钢包真空脱气→连铸→控轧控冷制备圆钢。该圆钢化学元素质量百分比为C：0.50%；Si：0.44%；Mn：1.30%；P：0.010%；S：0.003%；Cr：0.14%；V：0.10%；Al：0.023%；Nb：0.015%；Ti：0.019%，Ni：0.25%；Mo：0.06%；Sn：0.001%；Cu：0.08%，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
气体含量【N】：122ppm，【O】：14ppm，【H】：0.7ppm。
步骤S2：非调质钢电机轴的锻压成型，对步骤S1所制成的圆钢（力学性能见表1）锯切下料一定规格长度料段，通过φ80×L1000楔横轧锻压机锻压成电机轴毛坯。
表1：非调质钢原材料热轧态力学性能表
检测项目 Rm/MPa Rel/MPa A/% Z/% AKu/J HB
要求 ≥950 ≥600 ≥15 ≥35 ≥42 265-320
实测值1 967 618 16 49 42,44,45 278
实测值2 973 631 15 43 42,43,44 283
实测值3 958 604 19 49 43,44,46 275
步骤S3：非调质钢电机轴的机加工：对步骤S2所制成的电机轴毛坯通过车外圆→冷搓花键成型制成非调质钢电机轴。
步骤S4：非调质钢电机轴的感应热处理：如权利要求1所述对步骤S3制成的非调质钢电机轴进行感应热处理（感应热处理工艺参数见表2）。
表2：非调质钢电机轴感应热处理参数
项目 功率/kw 频率/khz 加热时间/S 喷淋冷却
要求 100-150 10-30 10-15 30-40
实测值 112 10 13 35
步骤S5：非调质钢电机轴的回火：对步骤S4所制成的非调质钢电机轴在箱式回火炉180-220℃至少回火1h后出炉空冷。
步骤S6：非调质钢电机轴100%探伤：对步骤S5所制成的非调质钢电机轴在磁粉探伤机进行100%探伤无裂纹。
步骤S7：对步骤S6所制成的非调质钢电机轴轴承部位在外圆磨床进行粗磨和精磨。
步骤S8：对步骤S7制成的电机轴进行打标识、清洗、涂油和包装。
对所述步骤S1-S8所制的电机轴检测其力学性能：抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击功，硬度见表3力学性能均匀，且强韧性较高。
表3：非调质钢电机轴力学性能表
检测项目 Rm/MPa Rel/MPa A/% Z/% AKu/J 硬度/HB
要求 ≥920 ≥550 ≥15 ≥30 ≥35 255-320
实测值1 954 600 16.5 46 42,44,45 272
实测值2 936 610 19 51 42,43.46 265
实测值3 967 618 16 49 42,42,43 284
对所述步骤S1-S8所制的电机轴进行有效硬化层分析：在距离非调质钢表面0.2mm、0.7mm、1.2mm、1.7mm、2.2mm、3.2mm、4.2mm处测量其硬度，统计其相关数据见表4。
表4：非调质钢电机轴表面感应热处理有效硬化层
距离表面/mm 0.2 0.7 1.2 1.7 2.2 3.2 4.2
硬度/HV 681 671 664 658 652 431 273
对所述步骤S1-S8所制的电机轴进行静扭转强度和疲劳试验，并和渗碳钢20CrMnTiH所制成的电机轴进行对比分析，提高该电机轴静扭转强度25%以上和提高扭转疲劳寿命40%以上，见表5。
表5：非调质钢电机轴静扭转和疲劳试验
Figure 395947DEST_PATH_IMAGE002
对所述步骤S1-S8所制的电机轴进行剖样，经盐酸：水=1:1加热至60-80℃热蚀2-5min后观察宏观形貌如图1所示，感应热处理硬化层均匀且连续分布；并对基体经金相显微镜和TEM电镜分析微观组织为如图2、3所示，该非调质钢电机轴力学性能优异及静扭转和疲劳试验可靠性较高的微观机理为基体组织为珠光体（P）+铁素体（F）+不大于5%的贝氏体或马氏体，铁素体的体积百分含量为5%-25%，奥氏体平均晶粒度7-10级，珠光体为微细珠光体形态，片层间距≤200nm，和纳米析出相强韧化。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员应当理解：可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的感应热处理方法包括以下步骤：（1）机器人自动上料；（2）机床门自动关闭；（3）感应器前移；（4）同时加热；（5）喷液冷却；（6）感应器后移；（7）机床门自动打开；（8）机器人自动取料，即完成该非调质钢电机轴感应热处理工艺，依次循环实施该非调质钢电机轴的感应热处理工艺。
2.根据权利要求1所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢的牌号为50MnSiV，其化学成分按质量百分含量：C：0.48～0.52%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.10～1.30%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr：0.10～0.20%、Ni：0.20～0.30%、Mo：0.03～0.07%、Nb：0.015～0.030%、V：0.08%～0.15%、Ti：0.015～0.025%、Al：0.010～0.025%、Cu ≤0.2%、N：120～200ppm、H≤2.0ppm、O≤15ppm；余量为Fe及不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的基体显微组织为珠光体（P）+铁素体（F）+不大于5%的贝氏体或马氏体，所述的铁素体的体积百分含量为5%-25%，奥氏体平均晶粒度7-10级，所述的珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
4.根据权利要求1所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，该非调质钢电机轴的力学性能Rm≥920MPa，Rel≥550，A≥15，Z≥30，Aku≥35J，硬度255-320HB，截面性能均匀，能够替代20CrMnTiH、42CrMo和40Cr等钢材。
5.如权利要求1-4的任意一项所述的一种非调质钢电机轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，非调质钢电机轴原材料50MnSiV冶炼，通过转炉或电炉炼钢→钢包精炼→钢包真空脱气→连铸→控轧控冷制备圆钢；
步骤S2，非调质钢电机轴的锻压成型，对步骤S1所制成的圆钢锯切下料一定规格长度料段，通过φ80×L1000楔横轧锻压机锻压成电机轴毛坯；
步骤S3，非调质钢电机轴的机加工：对步骤S2所制成的电机轴毛坯通过车外圆→冷搓花键成型制成非调质钢电机轴；
步骤S4，非调质钢电机轴的感应热处理：如权利要求1所述对步骤S3制成的非调质钢电机轴进行感应热处理；
步骤S5，非调质钢电机轴的回火：对步骤S4所制成的非调质钢电机轴在箱式回火炉180-220℃至少回火1h后出炉空冷；
步骤S6，非调质钢电机轴100%探伤：对步骤S5所制成的非调质钢电机轴在磁粉探伤机进行100%探伤无裂纹；
步骤S7，对步骤S6所制成的非调质钢电机轴轴承部位在外圆磨床进行粗磨和精磨；
步骤S8，对步骤S7制成的电机轴进行打标识、清洗、涂油和包装。
6.根据权利要求1所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，所述的表面感应淬火工艺参数，功率100-150kw，频率 10KHz-30KHz，感应器与工件间隙2mm-2.5mm，淬火液AQ251浓度2%-4%，温度20℃-40℃，压力0.2MPa-0.3MPa，控制淬火加热温度900±20℃，加热时间10-15s，冷却30-40s轴径及花键表面硬度52-60HRC，有效硬化层DS（450HV3）=2-4mm。
7.根据权利要求1所述的一种非调质钢电机轴的感应热处理方法以及采用该方法制造的电机轴，其特征在于，如权利要求1-6所述通过采用一种高强韧性非调质钢50MnSiV代替渗碳钢20CrMnTiH用于新能源电动汽车电机轴的制造，并通过感应热处理方法的实施，取消了正火和渗碳热处理工序。
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