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

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份汽車鋼營銷（服務）中心銷售與市場部，遼寧 鞍山 114002）

齒輪軸作為通用機械中傳遞轉動、彎矩與扭矩的主要零部件，廣泛應用于汽車、航空航天、軌道交通等工業領域，其整體的機械性能和內部組織對其使用壽命與安全性能影響很大。齒輪軸工作時會發生位置偏移，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，傳統生產工藝生產出來的軸套尺度精度差、形狀精度低、位置精度低。

雙金屬軸套的出現很好地彌補了上述問題，而且具有節約材料、易于安裝拆卸等優點。雙金屬軸套獨特的生產工藝要求鋼板具有內在缺陷較少、晶粒細化、成形性較好等優點[1]。文中針對St12和DC03兩種鋼板生產的雙金屬軸套的各種性能進行了檢測分析，并確定了更適合作為基板板材的材料。

1 實驗材料與方法

鐵嶺某零件廠自主生產設計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中成形，最后生產出軸套。齒輪中的雙金屬軸套見圖1，成型模具要求板料的屈服強度≤210 MPa、抗拉強度≤350 MPa、延伸率≥29%。

根據雙金屬軸套成形要求，分別采用鞍鋼生產的St12和DC03鋼板，厚度均為1.25 mm。力學性能在ZWICK型號Z100材料試驗機上測得，試樣標距為A80。

將鍍銅后的板材進行研磨、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QUANT400掃描電鏡進行觀察。

圖1 齒輪中的雙金屬軸套

2 實驗結果及分析

2.1 化學成分對比及分析

St12和DC03的化學成分見表1。從表1可以看出DC03相較于St12在成分上的特點是超低碳，微合金化，基本無碳、氮間隙原子，鋼質純凈。其中一定量的Ti，使鋼中C、N原子被固定成碳化物、氮化物，而鋼中無間隙原子存在，從而具有無時效性和超深沖性[2]。

表1 St12和DC03的化學成分（質量分數） %

2.2 力學性能對比與分析

鍍銅前后，St12和DC03的力學性能見表2。其中，鍍銅前，St12的屈強比為0.603 2，DC03的屈強比為0.545 8。材料定型性與回彈相關，當應力較小時，材料開始移動極易屈服，其屈服強度較低。抗拉強度高、屈服強度低意味著屈強比低，增大了其加工硬化性。變形過程中，材料的外側邊緣壓縮變形力很小時，成品危險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。延伸率能夠體現板料在沖壓過程中伸長變形的性能。較大的延伸率會提高板料塑性變形性[3]。

將兩種不同材料的基板鍍銅后，加工成標距為A80的試樣進行拉力測試，兩種鋼板的各項力學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力學性能

2.3 斷口形貌對比及分析

按照雙金屬軸套的生產工藝分別將St12和DC03板鍍銅，然后進行后續的沖壓加工至成品，兩種材料各沖壓100件，經過檢查發現，以DC03為基板的材料有86件出現沖壓開裂，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，鐵素體為主的板料會順著[100]晶面開始斷裂。由于韌性奧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，還出現放射形及人字形山脊狀花紋是典型的韌窩，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比

對鍍銅前后的基板材料進行金相檢測，結果見圖4。從圖4（a）中可觀察到白色是鐵素體，黑色是珠光體呈點狀分布于鐵素體基體內，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，經過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了近4倍。

研究表明，晶粒異常長大會導致鋼板韌性變差，Blicjwede等人研究發現，IF鋼再結晶后，隨晶粒尺寸的增加，晶界的強化作用下降，IF鋼沿晶斷裂的傾向增加[4]。東北大學陳光也在研究中發現，DC03鐵素體晶粒越細小，其抗拉強度和屈服強度較高；鐵素體晶粒越粗大，在性能上表現為抗拉強度和斷裂延伸率較低，對沖壓成形不利[5]。文中發現DC03經過鍍銅處理之后，晶粒尺寸異常長大，降低了晶界強化的作用，加劇了DC03沿晶斷裂的傾向，導致DC03產品出現脆性斷裂，性能失效。

圖4 兩種基板材料鍍銅前后的金相組織

3 結論

（1）St12和DC03沖壓實驗結果表明，St12更適合用作雙金屬軸套的基板材料。

（2）DC03鐵素體晶粒越細小，其抗拉強度和屈服強度較高；鐵素體晶粒越粗大，在性能上表現為抗拉強度和斷裂延伸率較低，對沖壓成形不利，DC03失效原因是由于鍍銅過程中晶粒異常長大，降低了晶界強化作用，出現脆性斷裂。