双金属轴套基板的失效分析

李春林 ，黄大鹏 ，徐鑫 ，丁庶炜 ，梁笑 ，郝志强

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份汽车钢营销（服务）中心销售与市场部，辽宁 鞍山 114002）

齿轮轴作为通用机械中传递转动、弯矩与扭矩的主要零部件，广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通等工业领域，其整体的机械性能和内部组织对其使用寿命与安全性能影响很大。齿轮轴工作时会发生位置偏移，轴套可以起到限制及固定齿轮轴位置的作用。轴套一般采用铸铁、铸青铜、轴承合金以及聚四氟乙烯等材料，传统生产工艺生产出来的轴套尺度精度差、形状精度低、位置精度低。

双金属轴套的出现很好地弥补了上述问题，而且具有节约材料、易于安装拆卸等优点。双金属轴套独特的生产工艺要求钢板具有内在缺陷较少、晶粒细化、成形性较好等优点[1]。文中针对St12和DC03两种钢板生产的双金属轴套的各种性能进行了检测分析，并确定了更适合作为基板板材的材料。

1 实验材料与方法

铁岭某零件厂自主生产设计的双金属轴套零件制造工艺如下：将钢板加热至870℃，保温20 min，在其表面镀铜，随后继续加热至870℃，保温20 min，空冷至室温，再将镀铜后的板材送入到压机中成形，最后生产出轴套。齿轮中的双金属轴套见图1，成型模具要求板料的屈服强度≤210 MPa、抗拉强度≤350 MPa、延伸率≥29%。

根据双金属轴套成形要求，分别采用鞍钢生产的St12和DC03钢板，厚度均为1.25 mm。力学性能在ZWICK型号Z100材料试验机上测得，试样标距为A80。

将镀铜后的板材进行研磨、抛光和腐蚀，腐蚀剂为4%HNO3酒精溶液，制成金相试样，用ZEISS 200 MAT型显微镜观察金相组织。端口形貌通过QUANT400扫描电镜进行观察。

图1 齿轮中的双金属轴套

2 实验结果及分析

2.1 化学成分对比及分析

St12和DC03的化学成分见表1。从表1可以看出DC03相较于St12在成分上的特点是超低碳，微合金化，基本无碳、氮间隙原子，钢质纯净。其中一定量的Ti，使钢中C、N原子被固定成碳化物、氮化物，而钢中无间隙原子存在，从而具有无时效性和超深冲性[2]。

表1 St12和DC03的化学成分（质量分数） %

2.2 力学性能对比与分析

镀铜前后，St12和DC03的力学性能见表2。其中，镀铜前，St12的屈强比为0.603 2，DC03的屈强比为0.545 8。材料定型性与回弹相关，当应力较小时，材料开始移动极易屈服，其屈服强度较低。抗拉强度高、屈服强度低意味着屈强比低，增大了其加工硬化性。变形过程中，材料的外侧边缘压缩变形力很小时，成品危险断面的承载能力越大，成形性良好，形成的零件难被破坏[3]。因此，DC03的冲压性能略好于St12。

延伸率很大程度上影响着板料的成形性能。延伸率能够体现板料在冲压过程中伸长变形的性能。较大的延伸率会提高板料塑性变形性[3]。

将两种不同材料的基板镀铜后，加工成标距为A80的试样进行拉力测试，两种钢板的各项力学性能跟镀铜前相比均有所减少，其中以DC03为基板的材料延伸率下降约50%，镀铜前后的延伸率变化较大，降低了DC03的塑性变形性，使其冲压效果变差。

表2 St12和DC03力学性能

2.3 断口形貌对比及分析

按照双金属轴套的生产工艺分别将St12和DC03板镀铜，然后进行后续的冲压加工至成品，两种材料各冲压100件，经过检查发现，以DC03为基板的材料有86件出现冲压开裂，St12为基板的材料全部冲压合格。

将两种基板材料冲压成品进行纵向破坏，其宏观断口形貌如图2所示。图2（a）是DC03钢为基板的成品断口宏观形貌，从图中可以看出断口平齐，略有阶梯状起伏，具有脆性断口特征。图2（b）是St12钢为基板的成品断口宏观形貌，从图中可以看出，断口为正常合格样品的断口形貌。

图2 两种基板材料的宏观断口形貌

将两种材料的断口进行SEM分析，其微观断口形貌如图3所示 。图3（a）是DC03钢为基板的断口微观形貌，从图中可以看出典型的解理面，在断裂时，铁素体为主的板料会顺着[100]晶面开始断裂。由于韧性奥氏体普遍存在于晶界上，裂纹在晶界出处停滞，因此为脆性断裂；图3（b）是St12钢为基板的断口微观形貌，从图中可以看出，断口呈暗灰色、纤维状，还出现放射形及人字形山脊状花纹是典型的韧窝，因此为韧性断裂。

图3 两种基板材料的微观断口形貌图

2.4 基板材料镀铜前后金相对比

对镀铜前后的基板材料进行金相检测，结果见图4。从图4（a）中可观察到白色是铁素体，黑色是珠光体呈点状分布于铁素体基体内，也有珠光体沿铁素体晶界呈线状分布，图4（c）的金相组织仅为铁素体。 从图4（b）和图4（d）可以看出，经过镀铜后的两种基板材料的晶粒尺寸都有所增大，但以DC03为基板材料的样板晶粒增长了近4倍。

研究表明，晶粒异常长大会导致钢板韧性变差，Blicjwede等人研究发现，IF钢再结晶后，随晶粒尺寸的增加，晶界的强化作用下降，IF钢沿晶断裂的倾向增加[4]。东北大学陈光也在研究中发现，DC03铁素体晶粒越细小，其抗拉强度和屈服强度较高；铁素体晶粒越粗大，在性能上表现为抗拉强度和断裂延伸率较低，对冲压成形不利[5]。文中发现DC03经过镀铜处理之后，晶粒尺寸异常长大，降低了晶界强化的作用，加剧了DC03沿晶断裂的倾向，导致DC03产品出现脆性断裂，性能失效。

图4 两种基板材料镀铜前后的金相组织

3 结论

（1）St12和DC03冲压实验结果表明，St12更适合用作双金属轴套的基板材料。

（2）DC03铁素体晶粒越细小，其抗拉强度和屈服强度较高；铁素体晶粒越粗大，在性能上表现为抗拉强度和断裂延伸率较低，对冲压成形不利，DC03失效原因是由于镀铜过程中晶粒异常长大，降低了晶界强化作用，出现脆性断裂。