轮毂轴承法兰锻造余温正火工艺研究

1 前言

随着汽车工业的飞速发展，轮毂轴承单元作为汽车底盘的安全件，强度要求越来越高，传统的通过普通正火工艺得到的零部件强度已较难满足OEM的技术要求。近年来，FAG、NSK、SKF等知名轴承制造商在研发一种新的余温正火热处理工艺以提升零件的力学性能[1]，并陆续应用于轮毂轴承法兰盘类零件的热处理。目前国内在部分齿轮类零件上已应用余热等温正火的工艺[2-3]，而在轮毂轴承法兰盘类零件上仍采用正火工艺，该普通正火热处理工艺因难以满足高端市场需求而面临着被淘汰、革新与升级的局面。针对上述情况，研究一种适合于轮毂轴承法兰盘零件的余温正火工艺，不仅能够达到提升材料热处理强度的目的，而且因充分利用锻造的余温也能够有效节约能源。

关于全球LNG市场的几个问题——费氏（FGE）第17届亚太天然气/LNG研讨会参会思考王新哲，赵堂玉，单卫国 3 48

2 轮毂轴承法兰材料特征

轮毂轴承单元的结构特征如图 1。法兰盘属于轮毂轴承中与车轮连接的重要安全件，不仅承受滚道的接触应力，也承受来自外部的弯曲结构应力，对弯曲结构应力的耐受能力反映法兰盘零件的结构强度。轮毂轴承法兰盘零件行业内普遍采用结构钢材料，经过特定的正火工艺达到特定的零件结构强度，正火之后再经过滚道感应淬、回火工艺得到高硬度与耐磨性的滚道。

从上世纪90年代开始，各轮毂轴承制造商在轮毂轴承法兰盘上所采用的结构钢包括45#、55#、65Mn、70#钢等，通过市场应用的表现，发现45#钢强度不足以满足使用要求，而65Mn与70#钢的韧性不足，并且非夹杂物的控制难度大。轮毂轴承发展至今，因55#钢强度与韧性适合使用要求，并且非金属夹杂物控制工艺成熟，因此采用55#亚共析钢作为法兰盘材质已在行业内基本达成共识。55#钢成分控制如表 1。

  

图1 法兰盘类零件图

 

表1 55#钢成分表

  

元素 含量C/% 0.53～0.58 Si/% 0.15～0.35 Mn/% 0.70～0.90 P/% ≤0.025 S/% ≤0.020 Cr/% 0.12～0.20 Ni/% ≤0.25 Cu/% ≤0.25 Al/% ≤0.25 Ti/% ≤0.005 O/ppm ≤12

3 技术要求与对标

针对采用55#钢法兰盘进行热处理后的性能，国标GB/T 699与合资OEM客户（如大众、奥迪、宝马等）的要求对比如表 2[4]。

通过表 1 可看出，OEM客户对法兰盘材料的要求远远高于GB要求。选取GB正火工艺处理的零件与FAG、NSK、SKF零件进行拉伸试验对比，结果如表 3。

（3）对比热处理样件可发现，FAG、NSK、SKF样品屈服强度、抗拉强度、硬度高出国内轴承60MPa、100MPa、30HB，晶粒度差于国内轴承，晶粒粗大。

 

表2 法兰盘零件材料性能要求

  

性能项目 GB要求 OEM要求屈服强度/MPa ≥380 ≥440抗拉强度/MPa ≥645 ≥750延伸率/% ≥13 ≥13硬度/HB 无要求 230～270晶粒度/级 无要求 ≥3

显然，通过表 3 与表 2 对比可知：

（1）按照现行GB对法兰盘零件进行正火工艺处理，所达到的材料性能能够满足GB技术要求，但是无法满足OEM技术要求。

 

表3 法兰盘零件对标表

  

轴承制造商材质 热处理工艺屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%硬度/HB晶粒度/级国内轴承厂55# 820oC正火1h 400～450 720～800 15～22 210～240 6.5 FAG 55# 未知 450～520 800～900 15～20 255～270 3.5 NSK 55# 未知 460～510 820～880 15～21 240～265 3 SKF 55# 未知 470～500 840～910 16～19 250～270 3

（2）同行业FAG、NSK、SKF轴承商按照其自身的热处理工艺得到的零件同时能够满足GB与OEM技术要求。

1.4 统计学方法 采用SSPS 18.0统计软件对数据进行分析。实验的统计数据以±s)表示，多组间比较采用计量资料单因素多样本均数比较，两组之间比较采用q检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

4 余温正火工艺原理

从对比情况看，国内轴承与FAG、NSK、SKF的主要差距在于强度不足，热处理工艺的研究重点在于提升强度。从对FAG、NSK、SKF样件的分析发现其组织特征均为：铁素体F+片状珠光体P+局部存在少量的魏氏体W，晶粒粗大，与锻造完成后未经过正火保温的锻件非常相近。基于FAG、NSK、SKF样件特征进行余温正火工艺的研究：利用锻造完成后锻件自身余温进行强制冷却而达到特定强度的热处理工艺。

4.1 相变阶段冷却过程控制

提升材料硬度、强度关键在于控制材料从奥氏体A相变的速度。首先需要明确，55#亚共析钢发生相变的起始温度。锻造工序后的样件温度必须保证其达到相变温度Ac3以上30～50oC，该温度与普通正火温度一致。相变温度Ac3与材料元素成分有较大的关系。为确定55#钢的相变温度Ac3，可利用以下公式精确计算[5-6]。

 

以上公式中代入计算值均为元素的百分含量值。根据所抽查的 6 个炉号钢材进行奥氏体A相变温度Ac3的计算，计算结果为760-770oC，初始相变温度可确定为：770+（30～50）=800～820oC，考虑到元素上的偏差，补偿10oC，要求对锻件进行强制冷却的起始温度不低于830oC，即要求锻件的终锻温度不低于830oC。

图2 与图 3 为亚共析钢的等温冷却（孕育期-转变期-终了期）和连续冷却组织转变图[ 7 ]。

秦淮河古名“淮水”，一名“龙藏浦”，早在远古时代就是长江的一条支流，也是南京地区的第一大河，全长110km。在江河湖泊众多的江苏，秦淮河虽然只是条“小河”，但文化底蕴源远流长，在全国都享有盛名。

  

图2 亚共析钢TTT等温冷却组织

  

图3 亚共析钢CCT连续冷却组织

余温正火工艺采用连续冷却，组织转变受到冷却速度的影响，相比共析钢、亚共析钢的C曲线在其上部多了一条铁素体析出线。当奥氏体A缓冷时（相当于炉冷），如上图中V1，转变产物接近平衡组织，即珠光体P+铁素体F。随着冷却速度的增大，即V3＞V2＞V1时，奥氏体A过冷度增大，析出的铁素体F越来越少，而珠光体P量逐渐增加，组织变得更细，此时析出的少量铁素体F多分布在晶界上。因此，V1的组织为铁素体F+珠光体P；V2的组织为铁素体F+索氏体S；V3的组织为铁素体F+屈氏体T。当冷却速度为V4时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见到少量贝氏体B），奥氏体A则主要转变为马氏体Mf和屈氏体T；当冷却速度V5超过临界冷却速度时，组织全部转变为马氏体组织。余温正火工艺的冷却速度介于V1与V2之间，转变组织为珠光体P+铁素体F，有时也可伴生少量的魏氏体W组织。

基于该冷却特征，在锻造完成后可对锻件实施强制风冷，促进组织转变。

4.2 相变结束与堆冷控制

亚共析钢组织转变终了温度为650oC [ 7 ]，要求整个锻件体积范围内均需要在650oC下才允许进行堆冷，否则因堆冷所产生的热岛效应将影响最终的材料强度。显然，锻造完成并且经过强制冷却的锻件表面温度与心部温度是存在偏差的，需要分析锻件内部与表面温差，从而确定锻件堆冷时的温度。

采用迭代数学思路来研究锻件热传导与表面对流换热过程中表面与心部的温差，对法兰盘在外表温度达到650oC完成相变情况下，进行布点测试，密集收集法兰盘表面各个位置的温度，通过网格划分来推导心部温度[ 8 ]。基于ANSYS软件平台下的分析，相关参数如表 4，分析结果如图 4。

 

表4 ANSYS模拟分析参数

  

相关参数 说明/数值单元格类型 Quad4 Node 55 PLANE55材料密度/kg/m3 7 840比热容/J/kg. k 465材料导热系数/W/(m. k) 32表面传热系数/W/(m2. k) 24初始温度场/oC 现场采集表面温度为准

  

图4 锻件强制冷却后温度场分析

从分析结果能够得出：

（1）表面最高温度与心部最高温度相差约80oC，若以表面珠光体P和铁素体F完成完全转化，下限温度650oC作为堆冷控制温度，心部仍有730oC的温度，心部尚未完成相变。

（2）显然，如果要达到锻件表面与内部全部在强制冷却下完成相变，从而达到锻件整体的强度较高，必须保证锻件的温度在530oC以下进行堆放冷却，进而消除后续的热应力。

4.3 晶粒度细化途径

根据对等温转变TTT曲线和连续冷却CCT曲线的分析以及对热处理过程的分析，要使55#钢过冷奥氏体转变为铁素体和珠光体，同时保持较细晶粒度，必须保证转变前奥氏体晶粒较细小和相变过程的冷却速度较快[ 7 ]。奥氏体A是形成铁素体和珠光体组织的前提组织，奥氏体A晶粒的大小对珠光体晶粒的大小具有遗传性，奥氏体A组织晶粒的大小会影响到最终珠光体晶粒度的大小，奥氏体A越小，珠光体也越小，反之越大。如何控制奥氏体晶粒，得到较小的奥氏体晶粒，可采用如下措施。

4.3.1 通过温度控制奥氏体晶粒

降低奥氏体的状态温度。亚共析钢的奥氏体相变温度约在800～900oC范围内，尽量使得锻造前的棒料在中频炉中加热得到的温度靠近于相变温度，从而使得奥氏体不要停留在高温区，降低奥氏体晶粒长大。

减少保温时间。奥氏体完成转变后，尽量减小在奥氏体状态下的保温时间，通过两个途径来控制保温时间：

关于对各反应时指标、敏感性指标之间关系的研究发现，被试在进行自我评价时(即将自我词与积极词和消极词进行联结)的时间之间的差异无统计学意义.而被试在进行他人评价的反应时间、自我敏感评价指标、他人敏感评价指标之间的差异具有统计学意义.这表明:本次研究选取的消极属性词和积极属性词之间具有很好的区分度，被试可以很好地区分对自己和对他人的态度;也表明被试对自我概念和积极属性间有着更加强的内隐联结，对他人概念和消极属性之间也有着更加强的内隐联结.

（1）余温正火通过提升对样件的冷却速度，有效提高了锻件的强度，方案1～9均能够满足GB与OEM对锻件的强度要求。

采用普通热模锻实施下料锻造，终锻温度一般维持在850～1050oC，终锻后对锻件进行强制冷却，采用风冷的速度越快越好。快速冷却的效果不仅在于提升锻件材料的硬度与强度，而且使得奥氏体A转变过程中，奥氏体相A、所转变的珠光体P相+铁素体相F停留在高温区的时间相对更短，抑制晶粒扩散长大，因此，更快的冷却速度获得的晶粒相对更加细腻。

4.3.2 机械方式控制奥氏体晶粒

将 9 种工艺方案与原工艺的试验样件按照GB/T 228标准进行拉伸试验，试验结果对比如表 6。

4.3.3 微量元素处理

在原有的55#材料中添加一些Al、V与N微量元素，均具有细化晶粒的效果，但是仍需要平衡这些元素对于非金属夹杂物、材料韧性的影响程度。

4.3.4 冷却速度控制

每4天取1瓶泡菜，在无菌的超净台用灭菌的移液器取出一定量的发酵液，采用梯度稀释平板方法计数各种微生物的菌落数量。取出适量发酵甘蓝，测定发酵甘蓝中的亚硝酸盐含量，同时取出一定量的发酵液测定发酵液中的亚硝酸盐含量。

（2）棒料在锻造过程中（预锻-初锻-终锻）流转总时间尽量缩短，减少奥氏体在高温区停留时间。

5 余温正火工艺试验

在余温正火工艺原理研究的基础上，为优化原锻造与正火过程中的工艺参数，开展热处理工艺试验，针对优化参数做出如下调整，形成不同方案对比，见表 5。

 

表5 热处理工艺试验方案

  

项目 原工艺 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7 方案8 方案9锻造吨位/t 1 000 2 500 2 500 2 500 2 500 2 500 2 500 2 500 2 500 2 500锻造工位 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3始锻温度/ oC 1 150 1 100 1 100 1 100 1 050 1 050 1 050 950 950 950终锻温度/ oC 1 060 1 030 1 030 1 030 930 930 930 860 860 860风冷速度/ oC/s 1.2 2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 2.5 3 3.5堆冷温度/ oC 600 530 530 530 530 530 530 530 530 530

一般的锻造过程对于工件存在粗锻与精锻两个机械力的作用，该两个机械力均能够在一定程度打碎奥氏体A晶粒。为使奥氏体进一步细化，可在粗锻与精锻之间增加一道预精锻工序，从而实现三个机械力来打碎奥氏体晶粒。一般而言，三个机械力的作用时间越短，击打设备的吨位越大，击打速度越快，对细化奥氏体晶粒越有利。

 

表6 余温正火工艺试验结果

  

延伸率/%硬度/HB 晶粒度/级原工艺 410 746 19 224 6.5方案1 452 788 17 237 2.0方案2 469 793 17 241 2.5方案3 487 835 16 257 2.5方案4 460 790 19 235 3.0方案5 472 811 16 246 3.0方案6 492 829 20 260 3.5方案7 457 800 17 235 4.0方案8 481 814 19 251 4.0方案9 489 855 16 258 5.0方案 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa

通过以上结果与表 3 对比可得到：

（1）棒料在中频炉中停留时间不宜过久，只要完成工件奥氏体化，并略高于奥氏体化温度50oC后，就可出炉；

随着人们生活质量的提高，大家对身体健康的关注度也日益增大，结肠癌发病率的不断增高，传统的结肠癌根治手术已经不能满足人们的需求[8-9]。完整结肠系膜切除术以传统的手术为基点展开研究，搭配现代生物心理社会的发展模式，旨在不仅能够治疗患者疾病本身，更能够使患者的生活质量大大提升，使患者术后的预后效果良好[10]。

（2）影像图像数据的存储以及编号不能反映图像数据之间的关联性，比如不同时间点或者不同图像采集模式所得到的图像数据之间的关系，不能很好地得到体现。

（3）基于以上结果，推荐最理想的方案是方案8～9。

（2）但从方案对比中发现，当始锻温度在1 100oC以上时，锻件普遍晶粒粗大，无法满足OEM要求，只有始锻温度控制在1050oC以下方案4～9能够满足OEM的晶粒度控制要求。

6 工艺方案锁定

为达到法兰盘零件较好的强度，并满足OEM客户要求，需要对锻造余温正火工艺进行锁定，所锁定的关键工艺参数与工艺装备要求如下：

高血压较易发生的合并症为左心室肥厚伴左心衰竭，诱因与心脏左心房变大和心脏血流动力学改变存在相关性，与此同时，增加循环阻力后会致使左心室形成代偿性向心性肥厚，从而提升左心衰竭发生率。据有关统计表明，在高血压疾病中左心室肥厚伴左心衰竭的比例可达0.4%，同时该疾病的病情相对危重，若不能实施治疗会对其生命安全构成危及[4]。由此可见，尽早诊断和尽早治疗对生存质量的提升具有重要意义。

（1）始锻温度要求不超过1 050oC，目的是达到锻件晶粒度不低于 3 级。

“我们5个人管理5000亩土地，这并没有让我们感到忙碌，也丝毫没有影响作物的品质和产量。”Sjoerd-Jan de Lugt在会上分享道。

（2）锻造设备吨位采用不低于2 500t，满足在锻造温度较低的情况下在较大的锻造压力下获得锻件的外轮廓，并有效细化晶粒。

体验式教育实践模式，就是以师范生职业技能和职业品格培养为核心，以技能训练、教育见习、教育实践、顶岗实习等实训为生长点，形成校内和校外实训相结合，合作培养未来教师的有效机制，促进师范生一体化的培养。这种模式的构建，以学生体验为中心，校内实训和校外实习相配合，是知能一体化的开放式教育实践模式。

（3）采用 3 工位锻造，增加对于锻件的成形次数，降低较低锻造温度下单次成形的裂纹发生几率。

（4）完成锻造后的锻件要求，即锻件的终锻温度不低于830oC，在此基础上利用锻件余温进行强制风冷，冷却速度不低于2.5oC/s，从而获取到锻件较好的强度。

以前对手水平提高了，我们就惊呼“狼来了”。现在随着我们的不断进步，“狼”逐渐没了，我们要把“狼”再养起来，有了竞争，对中国乒乓球来说是件好事。

（5）锻件堆冷温度不超过530oC，保证锻件在完成相变之后进行堆冷。

镇长再次见到牛皮糖，是一个月以后，在镇上的卫生院门口。牛皮糖端着一碗汤米粉蹲在院门口的桂花树下稀溜溜的喝，鼻涕流下来都顾不上擦。牛皮爹吃早餐？镇长主动的先打招呼。

7 结论

通过对GB、OEM技术要求的分析以及对国内轮毂轴承、FAG、NSK、SKF法兰盘样件的剖析，引出余温正火工艺原理的研究，在此基础上开展了9种工艺方案试验，并获得了满足OEM技术要求的工艺方案，使得国内轮毂轴承法兰盘具备FAG、NSK、SKF法兰盘同等性能水平。

参考文献：

[ 1 ] SKF D36-1600502，55号钢锻件工艺参数与机械性能[ S ].

[ 2 ] 李佐锋.渗碳齿轮毛坯锻造余热等温正货工艺可行性[ J ].热处理技术与装备，2007( 2 )：47-49.

[ 3 ] 谢飞，王贵宾.锻坯余热等温正火自动生产线[ J ].金属热处理，2000，( 12 )：35-37.

[ 4 ] GB/T 699，优质碳素结构钢[ S ].

[ 5 ] 赵振东.钢的化学成分对临界温度的影响[ J ].机械工程材料，1999， ( 1 )：39-40.

[ 6 ] 刘彦春，刘相华.一种获得连续冷却过程中亚共析钢相变临界温度的新方法[ J ].2012，（3）：1-5.

[ 7 ] 储凯，许斌.机械工程材料[ M ].重庆：重庆大学出版社，2004.

[ 8 ] 张朝晖.ANSYS热分析与实例教程[ M ].北京：中国铁道出版社，2007.