雙金屬軸套基板的失效分析

李春林 ，黃大鵬 ，徐鑫 ，丁庶煒 ，梁笑 ，郝志強(qiáng)

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份汽車鋼營(yíng)銷（服務(wù)）中心銷售與市場(chǎng)部，遼寧 鞍山 114002）

齒輪軸作為通用機(jī)械中傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)、彎矩與扭矩的主要零部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、軌道交通等工業(yè)領(lǐng)域，其整體的機(jī)械性能和內(nèi)部組織對(duì)其使用壽命與安全性能影響很大。齒輪軸工作時(shí)會(huì)發(fā)生位置偏移，軸套可以起到限制及固定齒輪軸位置的作用。軸套一般采用鑄鐵、鑄青銅、軸承合金以及聚四氟乙烯等材料，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出來(lái)的軸套尺度精度差、形狀精度低、位置精度低。

雙金屬軸套的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了上述問(wèn)題，而且具有節(jié)約材料、易于安裝拆卸等優(yōu)點(diǎn)。雙金屬軸套獨(dú)特的生產(chǎn)工藝要求鋼板具有內(nèi)在缺陷較少、晶粒細(xì)化、成形性較好等優(yōu)點(diǎn)[1]。文中針對(duì)St12和DC03兩種鋼板生產(chǎn)的雙金屬軸套的各種性能進(jìn)行了檢測(cè)分析，并確定了更適合作為基板板材的材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

鐵嶺某零件廠自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的雙金屬軸套零件制造工藝如下：將鋼板加熱至870℃，保溫20 min，在其表面鍍銅，隨后繼續(xù)加熱至870℃，保溫20 min，空冷至室溫，再將鍍銅后的板材送入到壓機(jī)中成形，最后生產(chǎn)出軸套。齒輪中的雙金屬軸套見(jiàn)圖1，成型模具要求板料的屈服強(qiáng)度≤210 MPa、抗拉強(qiáng)度≤350 MPa、延伸率≥29%。

根據(jù)雙金屬軸套成形要求，分別采用鞍鋼生產(chǎn)的St12和DC03鋼板，厚度均為1.25 mm。力學(xué)性能在ZWICK型號(hào)Z100材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，試樣標(biāo)距為A80。

將鍍銅后的板材進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕，腐蝕劑為4%HNO3酒精溶液，制成金相試樣，用ZEISS 200 MAT型顯微鏡觀察金相組織。端口形貌通過(guò)QUANT400掃描電鏡進(jìn)行觀察。

圖1 齒輪中的雙金屬軸套

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分對(duì)比及分析

St12和DC03的化學(xué)成分見(jiàn)表1。從表1可以看出DC03相較于St12在成分上的特點(diǎn)是超低碳，微合金化，基本無(wú)碳、氮間隙原子，鋼質(zhì)純凈。其中一定量的Ti，使鋼中C、N原子被固定成碳化物、氮化物，而鋼中無(wú)間隙原子存在，從而具有無(wú)時(shí)效性和超深沖性[2]。

表1 St12和DC03的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 力學(xué)性能對(duì)比與分析

鍍銅前后，St12和DC03的力學(xué)性能見(jiàn)表2。其中，鍍銅前，St12的屈強(qiáng)比為0.603 2，DC03的屈強(qiáng)比為0.545 8。材料定型性與回彈相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)，材料開(kāi)始移動(dòng)極易屈服，其屈服強(qiáng)度較低?？估瓘?qiáng)度高、屈服強(qiáng)度低意味著屈強(qiáng)比低，增大了其加工硬化性。變形過(guò)程中，材料的外側(cè)邊緣壓縮變形力很小時(shí)，成品危險(xiǎn)斷面的承載能力越大，成形性良好，形成的零件難被破壞[3]。因此，DC03的沖壓性能略好于St12。

延伸率很大程度上影響著板料的成形性能。延伸率能夠體現(xiàn)板料在沖壓過(guò)程中伸長(zhǎng)變形的性能。較大的延伸率會(huì)提高板料塑性變形性[3]。

將兩種不同材料的基板鍍銅后，加工成標(biāo)距為A80的試樣進(jìn)行拉力測(cè)試，兩種鋼板的各項(xiàng)力學(xué)性能跟鍍銅前相比均有所減少，其中以DC03為基板的材料延伸率下降約50%，鍍銅前后的延伸率變化較大，降低了DC03的塑性變形性，使其沖壓效果變差。

表2 St12和DC03力學(xué)性能

2.3 斷口形貌對(duì)比及分析

按照雙金屬軸套的生產(chǎn)工藝分別將St12和DC03板鍍銅，然后進(jìn)行后續(xù)的沖壓加工至成品，兩種材料各沖壓100件，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，以DC03為基板的材料有86件出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂，St12為基板的材料全部沖壓合格。

將兩種基板材料沖壓成品進(jìn)行縱向破壞，其宏觀斷口形貌如圖2所示。圖2（a）是DC03鋼為基板的成品斷口宏觀形貌，從圖中可以看出斷口平齊，略有階梯狀起伏，具有脆性斷口特征。圖2（b）是St12鋼為基板的成品斷口宏觀形貌，從圖中可以看出，斷口為正常合格樣品的斷口形貌。

圖2 兩種基板材料的宏觀斷口形貌

將兩種材料的斷口進(jìn)行SEM分析，其微觀斷口形貌如圖3所示 。圖3（a）是DC03鋼為基板的斷口微觀形貌，從圖中可以看出典型的解理面，在斷裂時(shí)，鐵素體為主的板料會(huì)順著[100]晶面開(kāi)始斷裂。由于韌性?shī)W氏體普遍存在于晶界上，裂紋在晶界出處停滯，因此為脆性斷裂；圖3（b）是St12鋼為基板的斷口微觀形貌，從圖中可以看出，斷口呈暗灰色、纖維狀，還出現(xiàn)放射形及人字形山脊?fàn)罨y是典型的韌窩，因此為韌性斷裂。

圖3 兩種基板材料的微觀斷口形貌圖

2.4 基板材料鍍銅前后金相對(duì)比

對(duì)鍍銅前后的基板材料進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4（a）中可觀察到白色是鐵素體，黑色是珠光體呈點(diǎn)狀分布于鐵素體基體內(nèi)，也有珠光體沿鐵素體晶界呈線狀分布，圖4（c）的金相組織僅為鐵素體。 從圖4（b）和圖4（d）可以看出，經(jīng)過(guò)鍍銅后的兩種基板材料的晶粒尺寸都有所增大，但以DC03為基板材料的樣板晶粒增長(zhǎng)了近4倍。

研究表明，晶粒異常長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致鋼板韌性變差，Blicjwede等人研究發(fā)現(xiàn)，IF鋼再結(jié)晶后，隨晶粒尺寸的增加，晶界的強(qiáng)化作用下降，IF鋼沿晶斷裂的傾向增加[4]。東北大學(xué)陳光也在研究中發(fā)現(xiàn)，DC03鐵素體晶粒越細(xì)小，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高；鐵素體晶粒越粗大，在性能上表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率較低，對(duì)沖壓成形不利[5]。文中發(fā)現(xiàn)DC03經(jīng)過(guò)鍍銅處理之后，晶粒尺寸異常長(zhǎng)大，降低了晶界強(qiáng)化的作用，加劇了DC03沿晶斷裂的傾向，導(dǎo)致DC03產(chǎn)品出現(xiàn)脆性斷裂，性能失效。

圖4 兩種基板材料鍍銅前后的金相組織

3 結(jié)論

（1）St12和DC03沖壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，St12更適合用作雙金屬軸套的基板材料。

（2）DC03鐵素體晶粒越細(xì)小，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高；鐵素體晶粒越粗大，在性能上表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率較低，對(duì)沖壓成形不利，DC03失效原因是由于鍍銅過(guò)程中晶粒異常長(zhǎng)大，降低了晶界強(qiáng)化作用，出現(xiàn)脆性斷裂。