專利名稱：驅(qū)動軸的加工方法及制造它的合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新合金組成，更具體地說，涉及一種新合金組成和最小直徑為1.7時、最低承載能力為30，000磅的驅(qū)動軸的制造方法。
在選擇制造高強度軸合金鋼或其配方時，最重要的依據(jù)之一是控制該合金的淬透性。同樣，合適的淬透性又取決于合金具有合適的含碳量，即含碳量應(yīng)足夠高，可以獲得以洛氏硬度Rc表示的最低表面硬度，同時含碳量又低到可以控制硬化過程使之不超過理想的最大表面硬度或使軸的芯部不被淬硬。淬透性確定了給定淬硬層的深度，它也定義為在施行某一淬火條件下所能形成馬氏體的深度，在該條件下淬火速率等于或大于臨界冷卻率。
現(xiàn)代淬透性概念在1930年左右創(chuàng)立于美國鋼協(xié)會研究室。1938年，頂端淬火試驗法(JomingTest)作為測定淬透性的方法被引入通用電機公司實驗室。該實驗室包括將1寸圓棒的端部淬火并以淬火端為起點，在該圓棒上每隔1/16″處測量其硬度值Rc。美國鋼協(xié)會的Grossmann在TransAm，Inst，MiningMet，Engrs，v，150，1942，pp，227-259發(fā)表的論文中首創(chuàng)了淬透性的方法。Grossmann假定淬透性可用一具有標(biāo)準(zhǔn)直徑DI的圓鋼為測量基準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)直徑(以英寸表示)定義為在典型淬火條件下圓鋼不會出現(xiàn)未淬硬的心;或進一步規(guī)定在圓鋼心部產(chǎn)生50%馬氏體結(jié)構(gòu)。在許多冶金專著中都有DI值的計算方法，例如“現(xiàn)代冶金工程師”(Frank.T.Sisco，Secondedition，PitmanPublishingCompang，NewYork，1948)或教材“鋼的淬透性概念，冶金效應(yīng)和工業(yè)效用”(ClarenceA.Siebert，DougDouglasV.DoaneandDaleH.BreenpublishedbytheAmericanSocietyofMetals，MetalsPark，OhOhio，1977)。
以英寸表示的臨界直徑DI基本上是對某一特定鋼種中含有全部殘留元素或特意加入到鋼中的全部元素的倍增系數(shù)MF相乘計算得出。例如對SAE/AISI1040碳鋼，采用Grossmann數(shù)據(jù)時對應(yīng)典型的百分率的倍增系數(shù)如下碳0.39%，MF＝0.23;錳0.68%，MF＝3.27;
硅0.11%，MF＝1.08;鎳0.12%，MF＝1.05;
鉻0.04%，MF＝1.09;鉬0.02，MF＝1.06。
然后計算出臨界直徑DI＝0.23×3.27×1.08×1.05×1.09×1.06＝0.98吋。這意味著理想淬火鋼的標(biāo)準(zhǔn)直徑應(yīng)是0.98吋;因而為了保證最佳淬火性，這種軸的最大直徑應(yīng)稍小于0.98吋，而多半為3/4吋左右。
采用DI計算方法，可以決定具有適宜的淬透性分布曲線且中心有50%馬氏體的特定合金鋼軸的最大直徑。
已完全證實高錳碳鋼組合物具有滿意的淬透性，因為淬火時錳可以使碳滲透到呈鐵固溶體的心部而獲得所希望的馬氏體。含0.36-0.44%碳和1.35-1.65%Mn的SAE/AISI1541中碳鋼具有的滲透性適合于最大直徑小于1.7吋而承載力小于30，000磅的軸，直徑大于1.7吋承載力為30，000，34，000，38，000或44，000磅的軸不宜用1541號鋼來制造，因為其中的錳不能產(chǎn)生所希望的可在心部至少具有50%馬氏體的心部硬度分布曲線。向SAE1541鋼中加入痕量硼后即得SAE15B41鋼使這一問題得到滿意的解決。這種鋼中硼的含量一般為0.0005-0.003%。
向鋼中加入硼以得到合適的淬透性分布曲線時，若在軸的一端鍛出普通的鍵槽而另一端鍛成凸緣之后有出現(xiàn)殘余應(yīng)力的危險。這會大大降低軸的疲勞壽命，由于應(yīng)力裂紋而產(chǎn)生緄乃鴰?。震}且蛭鴰嵋緣鸚翁戀碓誥Я１囈縞隙垢植嘈?。为消除这一矡影蠚e山峒尤戎磷湮露紉隕蝦笤誑掌欣淙矗ㄕ鶇恚┐傭鹋懦鼉Ы韁狻Ｕ饈且桓齜咽倍址亞墓獺 本發(fā)明旨在獲得一種具有優(yōu)良淬透性的合金組成，以便使直徑為1.70-2.05吋軸可用作承載能力為30，000～44，000磅的驅(qū)動軸。利用一種主要成分為0.40-0.48%碳、1.35～1.61%錳、0.16-0.30%硅、0～0.23%鉻、余量鐵以及其它不影響鋼的淬透性元素的合金鋼，即可以通過以下方法，即在軸的一端鍛出鍵槽而在另一端鍛成凸緣后再將其端部機加工至最終形狀和尺寸，然后將軸淬火而無需在鍛造后插入任何退火或正火處理來制造這種驅(qū)動軸。
這種合金鋼應(yīng)含有0.025-0.05%鋁以使其成為一種晶粒度為ASTM5-8的鋼從而確保合適的淬透性。
這種合金一般含有0～0.15%銅，0～0.20%鎳，0～0.15%鉬，0.02～0.045%硫和最高為0.035%的磷。
軸的臨界直徑應(yīng)為2.1至2.6寸。
軸在其中心處的最大硬度應(yīng)為Rc35而在回火后其表面硬度應(yīng)為Rc52～Rc59，并且距其表面0.470吋處的最大硬度為Rc40。當(dāng)符合上述組成和臨界直徑標(biāo)準(zhǔn)時就可獲得這種硬度分布曲線。
在研究具有優(yōu)良淬透性的高強度合金鋼時，化學(xué)組成方面的微小變化對合金符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的能力會有重大影響，并且對產(chǎn)品(例如驅(qū)動軸)的加工方法也會有本質(zhì)的改變。例如這種化學(xué)組成的變化以及由此導(dǎo)致的產(chǎn)品性能和加工方法的改變會涉及整個驅(qū)動軸制造業(yè)。在加工汽車傳動軸，尤其是軸身直徑不超過1.70″的客車和輕型卡車的驅(qū)動軸時，可以用符合淬透性規(guī)范而不需正火或回火處理的1541合金鋼制造。
在軸中使用直徑為1.70-2.05吋的驅(qū)動軸時并且額定承載能力為30，000～44，000磅時，如果采用1541合金，則其淬透性或淬硬深度不夠，因而驅(qū)動軸不會有滿意的概率壽命。在這個直徑和載重能力范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動軸以前都是用15B41合金鋼制造，而這種合金鋼中有痕量硼以增加淬硬深度從而得到所要求的強度和疲勞壽命。
SAE/AISI1541的化學(xué)成分如下元素成分范圍最大值(重量%)碳0.36-0.44錳1.35-1.65硅0.15-0.35硫0.050最大磷0.040最大加硼鋼15B41的成分是在上表所示成分中再加0.0005-0.003%硼。利用加硼的15B41高錳碳鋼可以生產(chǎn)出以下直徑的具有足夠疲勞壽命的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)強度的驅(qū)動軸軸的額定載重能力軸體直徑磅吋30，0001.7234，0001.8438，0001.9144，0002.05盡管15B41鋼能在要求的強度水平上提供合適的淬透性，但制造驅(qū)動軸的方法卻變得更為復(fù)雜。通常驅(qū)動軸是由具有要求直徑的棒料制得。將棒料按要求的驅(qū)動軸長度截下之后，將其一端鍛造出鍵槽而另一端鍛成凸緣。鍵槽和凸緣的形狀和最終尺寸由制造商決定或按原設(shè)備制造商的要求或市場配件的規(guī)格加工。在鍛造之后將鍵槽和凸緣機械加工成最終尺寸。機加工之后通過將軸加熱至前述臨界溫度之上并用水淬完成軸的淬火處理。這一淬火過程最好用感應(yīng)加熱來完成，感應(yīng)加熱可在一次照射過程(one-shotprocess)中完成，此時軸在兩定心頂尖之間旋轉(zhuǎn)而感應(yīng)線圈則固定，也可在感應(yīng)掃描過程中進行，此時在驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)的同時感應(yīng)線圈移動?？焖偎惝a(chǎn)生所希望的硬度梯度。在一連續(xù)回火爐中對軸進行最終回火處理以消除殘余應(yīng)力，這可以將用洛氏硬度C表示的硬度值降低若干點。
當(dāng)1541鋼用于制造較小直徑的驅(qū)動軸時，前述的該驅(qū)動軸的加工方法是采用鍛造和機加工，而且在其間不需采用任何熱處理步驟。采用15B41鋼時，硼會導(dǎo)致晶粒邊界應(yīng)力。為了減少這些應(yīng)力，需要在鍛造操作之后，機加工和淬火工序之前進行退火或正火處理。退火或正火過程是費時又費錢的，因而會增加驅(qū)動軸的成本。
符合強度和淬透性要求的另一些合金鋼，例如50B50更為昂貴，在鍛造之后也需要正火。
在研究各種合金組分并沿軸直徑方向作出與頂端淬火試驗的淬透性曲線十分相似的硬度分布曲線來估算其淬透性時，可發(fā)現(xiàn)如果軸的最低屈服強度為110，000磅/吋，將會得到一個完全滿意的淬透性分布曲線，這也會保證更長的疲勞壽命。由于了解鉻和錳一樣會使淬硬層滲入軸心部，因而試驗了不同錳和鉻組成的配方。過高的含鉻量也會導(dǎo)致鋼具有過高的淬透性。同樣，如果當(dāng)含碳量高時含錳量也高，則會具有一種使心部過于硬化的傾向，從而降低疲勞壽命。若先就高面已提到的1541鋼分析，并部分忽略增加錳和碳含量會導(dǎo)致增加淬硬深度或淬透性這一普通見解，就發(fā)現(xiàn)稍稍提高碳含量范圍并將較高的錳含量限稍降低同時適當(dāng)添加少量鉻，即可配制成一種新的合金鋼，這種鋼具有更合理的表面層深度。這種SAE/AISI1541M合金鋼的化學(xué)組成如下元素成分范圍或最大重量%碳0.40-0.484.0-錳1.35-1.61鉻0-0.23硅0.16-0.30硫0.020-0.45磷0.35最大鉬0-0.15鎳0-0.20銅0-0.15新型1541M合金鋼的鎳和銅成分是通常在本國熔煉時存在的殘余量。同樣，硅，硫和磷一般取用上述這些含量，并為標(biāo)準(zhǔn)碳合金鋼所接受。使用的鋁含量可為0.025～0.05%，以保證其晶粒度為ASTM5-8。
還發(fā)現(xiàn)，如果還規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的臨界直徑DI范圍，則更可確保在利用鍛造之后無退火或正火處理的方法來加工的驅(qū)動軸能更充分地滿足強度和疲勞要求，而對硬度分布曲線則可不必加以考慮。實際直徑范圍為1.70-2.05吋的標(biāo)準(zhǔn)直徑范圍DI＝2.1～2.6吋。規(guī)定這種標(biāo)準(zhǔn)直徑范圍可以消除極罕見的可能性即每種元素含量都處在最低限或最高限從而可能導(dǎo)致概率壽命下降。
在計算DI時，使用了碳、錳、鎳、鉻、鉬、銅和硅的MF。若合金中不含鋁或雖含鋁但其含量如前述而可保證其細晶粒度則鋁的倍增系數(shù)MF應(yīng)取為1。在這一計算中未使用磷和硫的倍增系數(shù)，因為在給定的成份范圍內(nèi)他們互相抵消，即磷的倍增系數(shù)約1.03，硫的倍增系數(shù)約為0.97。
在規(guī)定2.1～2.6吋的臨界直徑范圍時，履帶規(guī)范IE-38被用于確定給定元素百分率的倍增系數(shù)。在出版物“鍛鋼的淬透性測算”(履帶公司出版)中有這種規(guī)范，本文引用作參考。如果所有的元素含量都處在最低或最高限處，則其相應(yīng)的倍增系數(shù)如下
最低值最高值%MF%MF碳0.400.2130.480.233錳1.355.7651.617.091鉻01.00.231.497硅0.161.1120.301.21鉬01.00.151.45鎳01.00.201.073銅01.00.151.06如果對應(yīng)所有元素最低值的倍增系數(shù)相乘，則DI＝1.3吋，這將不滿足最低DI為2.1吋的要求。同樣，如果對應(yīng)所有元素最高百分率的倍增系數(shù)相乘，則DI為4.9，這又超出了允許的最大DI＝2.6吋。
另一方面，淬透性可以用最小硬度梯度、最高心部硬度，給定深度上的最高硬度以及表面硬度范圍來表示。較合適的強度和疲勞壽命要求可表示為最高心部硬度為Rc35，深度為0.47吋處的最高硬度為Rc40，以及表面硬度范圍為Rc52～Rc59。最小硬度梯度如下距離(寸)Rc0.050″520.100″520.200″520.300″450.400″330.500″22
上述淬透性規(guī)定考慮到了驅(qū)動軸在感應(yīng)淬火之后，在不超過350°F下進行1 1/2 ～2小時的回火處理。為了確保用回火來消除殘余應(yīng)力的附加要求是它應(yīng)在感應(yīng)淬火后兩小時之內(nèi)進行。
權(quán)利要求
1.由主要成分為0.40-0.48%碳、1.35-1.61%錳、0.16-0.30%硅、0-0.20%鉻以及余量的鐵和其它不影響鋼淬透性的合金鋼制成最小軸體直徑為1.70寸的驅(qū)動軸制造方法，鍛造軸的兩端使其一端形成鍵槽而另一端形成凸緣，機加工所述端部達到最終形狀和尺寸，并將上述軸進行感應(yīng)淬火，在鍛造之后無須插入退火和正火過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中合金鋼還含有0.025-0.05%鋁，而鋼的晶粒大小為ASTM5-8。
3.權(quán)利要求1所述之方法，其中所述鋼含有0～0.15%銅、0.020～0.20%鎳，0～0.15%鉬，0.020-0.045%硫和最大為0.035%磷。
4.權(quán)利要求1所述之方法，其中所述驅(qū)動軸的額定承載能力為30，000至44，000磅，而標(biāo)稱軸體直徑為1.70至2.05吋。
5.權(quán)利要求4所述之方法，其中所述驅(qū)動軸的額定承載能力為30，000，34，000，38，000或44，000磅。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述之方法，其中所述驅(qū)動軸的臨界直徑為2.1至2.6寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述之方法，其中所述驅(qū)動軸的臨界直徑為2.1至2.6吋并利用碳、錳、鎳、鉻、鉬、銅和硅的倍增系數(shù)計算得出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，該方法還包括所述驅(qū)動軸在淬火之后進行回火。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述之方法，其中所述軸在溫度不超過350°F時進行回火1 1/2 ～2小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述之方法，其中所述回火工序是在所述感應(yīng)淬火工序后兩小時之內(nèi)開始。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述之方法，其中所述驅(qū)動車軸心部的最大硬度為Rc35。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述之方法，其中所述驅(qū)動軸在距離表面為0.470″處的最大硬度為Rc40。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述之方法，所述驅(qū)動軸在回火后的表面硬度是Rc52至Rc59。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述之方法，其中所述驅(qū)動軸在距表面不同距離處測得的最小硬度梯度是0.050吋處為Rc52，0.100吋處為Rc52，0.200吋處為Rc52，0.300吋處為Rc45，0.400吋處為Rc33，0.500吋處為Rc22。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中所述感應(yīng)淬火是由一次照射(a single shot)感應(yīng)過程加水冷來完成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述之方法，其中驅(qū)動軸心部不受所述感應(yīng)工序的影響，硬化區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)約為90%馬氏體，10%貝氏體。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中所述驅(qū)動軸在感應(yīng)淬火之后其心部至少有50%的馬氏體結(jié)構(gòu)。
18.由主要成分為0.40-0.48%碳，1.35-1.61%錳，0.16-0.30%硅，0-0.23%鉻，0.025-0.05%鋁，0-0.15%銅，0-0.20%鎳，0-0.15%鉬，0.020-0.045%硫和最大為0.035%磷以及余量鐵的合金鋼制成最小軸體直徑為1.70吋最小額定承載能力為30，000磅且臨界直徑為2.1～2.6吋的驅(qū)動軸制造方法中，鍛造軸的兩端使其一端形成鍵槽而另一端形成凸緣;機加工該端部以達到最終形狀和尺寸，在鍛造之后無需插入任何退火或正火過程而直接將該軸感應(yīng)淬火，然后回火。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述之方法，其中所述鋼的晶粒度為ASTM5-8，在其中心部的最大硬度為Rc35，在回火之后其表面硬度為Rc52～Rc59。
20.可利用鍛造和機加工軸的端部和感應(yīng)淬火(在鍛造和淬火處理之間不插入其它熱處理過程)的方法來制造驅(qū)動軸的一種合金，該合金的主要成分為0.40-0.48%碳，1.35-1.61%錳，0-0.23%硅，0-0.23%鉻，0-0.15%銅，0-0.20%鎳，0-0.15%鉬，0.02-0.045%硫，0.025-0.05%鋁和最大為0.035%磷，以及余量鐵，所述軸的臨界直徑為2.1-2.6吋，額定承載能力為30，000至44，000磅，軸體直徑為1.70至2.05吋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型SAE1541M合金鋼，它主要由0.40—0.48％碳、1.35—1.61％錳、0.16—0.30％硅，0—0.23％鉻以及余量鐵和其它不影響鋼的淬透性的元素組成，它特別適合于制作用作承載力為30,000至44,000磅直徑為1.70—2.50英寸的驅(qū)動軸。
文檔編號C22C38/00GK1036043SQ8910124
公開日1989年10月4日 申請日期1989年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月10日
發(fā)明者肯特·尤金·戴維森, 歐文·里克特 申請人:達納公司