40Cr鋼轉向節(jié)軸部直徑對其淬火態(tài)組織和硬度的影響

祁 斌 周文華 范志君 袁 松 季欣威 姜能文 徐 忠 周細應

（1.上海嘉仕久企業(yè)發(fā)展有限公司，上海 202150；2.上海工程技術大學材料工程學院，上海 201600）

高強鋼在汽車輕量化、節(jié)能減排、成本方面具有一定的優(yōu)勢與潛力，目前仍是汽車生產(chǎn)的主要材料［1-2］。40Cr鋼是機械制造業(yè)應用最廣泛的鋼種之一，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學性能［3］。目前，汽車轉向節(jié)最常用的熱處理工藝是鍛后余熱淬火，這種工藝既節(jié)能又可減小零件的變形和開裂傾向，且軸徑小于50 mm的轉向節(jié)能被淬透［4-6］。本文研究了不同軸徑的40Cr鋼轉向節(jié)鍛造后重新加熱淬火后的顯微組織和硬度，以期為獲得綜合性能良好的40Cr鋼汽車轉向節(jié)提供依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用40Cr鋼汽車轉向節(jié)如圖1所示，其化學成分如表1所示，符合國家標準。

圖1 汽車轉向節(jié)Fig.1 Automobile steering knuckle

表1 轉向節(jié)的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of the steering knuckle （mass fraction） %

1.2 試驗方法

將軸部直徑為50和70 mm的40Cr鋼轉向節(jié)加熱至860℃保溫120 min后水淬（對水進行攪拌）。從轉向節(jié)軸部取樣，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液對拋光后的試樣進行侵蝕，然后檢測顯微組織。采用飽和苦味酸溶液侵蝕試樣，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》評定鋼的晶粒度。檢測洛氏硬度（HRC）。

2 試驗結果與分析

2.1 軸徑對轉向節(jié)淬火組織的影響

軸徑為70和50 mm的轉向節(jié)淬火后的顯微組織如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，兩種軸徑的轉向節(jié)表面組織均為馬氏體，呈板條狀或針狀。隨著與表面距離的增大，兩種軸徑轉向節(jié)的顯微組織開始顯示出差異：軸徑70 mm的轉向節(jié)距其表面15 mm處的組織為貝氏體＋馬氏體＋鐵素體，距表面25 mm處的組織為珠光體＋鐵素體（部分鐵素體呈網(wǎng)狀）；而軸徑50 mm的轉向節(jié)距表面15 mm處的組織仍為馬氏體，芯部為馬氏體＋貝氏體。

圖2 軸徑為70 mm的轉向節(jié)淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）處的顯微組織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

圖3 軸徑為50 mm的轉向節(jié)淬火后表面（a）和距表面15（b）、25mm（c）處的顯微組織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

軸徑不同的轉向節(jié)淬火后從表面到芯部的晶粒大小如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，隨著與表面距離的增大，軸徑為70 mm的轉向節(jié)晶粒變得粗大（圖4）；軸徑為50 mm的轉向節(jié)在表面和距表面15 mm處的晶粒尺寸相差不大，而芯部的晶粒尺寸顯著增大（圖5）。對比發(fā)現(xiàn)，軸徑為70 mm的轉向節(jié)距表面25 mm處的晶粒比軸徑為50 mm的轉向節(jié)相同部位的晶粒大得多。軸徑為70 mm的轉向節(jié)尺寸較大，淬火加熱時僅僅芯部達到了奧氏體化溫度，奧氏體未均勻化，淬火冷卻速度較慢，從而保留了較粗大的原奧氏體晶粒［7-9］。兩種軸徑轉向節(jié)的晶粒度評定結果如表2所示。

圖4 軸徑為70 mm的轉向節(jié)淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）處的晶粒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

圖5 軸徑為50 mm的轉向節(jié)淬火后表面（a）和距表面15（b）、25 mm（c）處的晶粒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 不同軸徑轉向節(jié)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 軸徑對轉向節(jié)淬火后硬度的影響

淬火后軸徑為50和70 mm的轉向節(jié)的截面硬度如圖6所示。轉向節(jié)淬火后要進行切削加工，因此從表面至距表面15 mm處的平均硬度是重要的性能指標。圖6表明，軸徑為50 mm的轉向節(jié)0～15 mm表層的硬度較高且變化不大，約為55HRC；軸徑為70mm的轉向節(jié)從表面到距表面15 mm處的硬度略有下降，約為50 HRC?？傮w上軸徑為70 mm的轉向節(jié)平均硬度低于軸徑為50 mm的轉向節(jié)，兩種轉向節(jié)0～15 mm表層的平均硬度均達到了要求。

圖6 不同軸徑轉向節(jié)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 討論

上述試驗結果表明：50 mm軸徑的轉向節(jié)基本淬透，而70 mm軸徑的轉向節(jié)沒有淬透。淬火時轉向節(jié)從表面至芯部存在溫度梯度，不同部位的冷卻速率不同。由40Cr鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線可知：轉向節(jié)表面直接與淬火介質(zhì)接觸，得到全馬氏體組織；從表面到芯部冷卻速率逐漸降低，發(fā)生貝氏體或珠光體轉變，甚至析出鐵素體。軸徑為50 mm的轉向節(jié)尺寸較小，在距表面15 mm處和芯部均為馬氏體。在本文試驗條件下，40Cr鋼轉向節(jié)淬硬層深度為50 ～70 mm［10］。

因不同軸徑的轉向節(jié)淬火后組織有如上所述的變化，所以其截面硬度才有如圖6所示的變化規(guī)律。兩種軸徑的轉向節(jié)淬火后表面均為馬氏體，但由于是40Cr鋼，兩種轉向節(jié)表面硬度相差不大［9］。隨著與表面距離的增大，軸徑為70 mm的轉向節(jié)有貝氏體，更深的部位有珠光體和網(wǎng)狀鐵素體，所以其硬度在0～15 mm的表層只是略微下降，而距表面25 mm處硬度下降明顯；軸徑50 mm的轉向節(jié)因淬火冷卻速率快，在0～15 mm表層組織主要為馬氏體，所以硬度基本不變。

4 結論

（1）軸部直徑為50 mm的40Cr鋼轉向節(jié)從表面到芯部的組織均為馬氏體，而軸部直徑為70 mm的轉向節(jié)從表面到芯部的組織有差異。轉向節(jié)軸徑增加，淬火后隨著與表面距離的增大，從表面到芯部會出現(xiàn)馬氏體、貝氏體、珠光體甚至網(wǎng)狀鐵素體。

（2）軸徑為50 mm的轉向節(jié)水淬可完全淬透，淬火后0～15 mm表層的平均硬度為54 HRC；而軸徑為70 mm的轉向節(jié)水淬后0～15 mm表層的平均硬度略有下降，約為50 HRC。