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新能源乘用车变速箱轴承材料及热加工关键技术控制

作者:小编2022-10-19 04:04:54

  新能源乘用车变速箱轴承包括圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、深沟球轴承、角接触轴承、四点接触轴承,如图1 所示。

  新能源汽车轴承工作特性:高转速、高承载、低摩擦、低噪声、长寿命,为适应新能源汽车轴承工作特性,相对应轴承材料、热加工特性见表1。

  为提高新能源汽车变速箱轴承寿命,在轴承结构上除采用计算机仿真软件进行模拟设计,对轴承滚道进行低摩擦优化设计,微观修形,减少因应力集中而导致的早期失效。除需模拟轴承内部应力云图,计算最大接触应力、摩擦力矩及刚度、效率、预紧力等技术参数外,更需控制决定轴承寿命的关键因素:材料、热加工工艺。

  新能源汽车变速箱轴承为中小型轴承,使用的棒料直径一般小于80mm。从表1 可以看出,随着轴承性能提高,需要更高的材料性能,因此对材料的冶金质量提出更高要求(表2)。

  我国轴承常用材料为GCr15,按冶金质量分为优质轴承钢、高级优质轴承钢、特级优质轴承钢,超高洁净轴承钢,见表3。

  高碳铬GCr15 轴承钢,按GB/T 18254-2016、GB/T 38885-2020 标准,不同冶金质量,氧、钛含量及微量元素不同,见表4,夹杂物级别、碳化物均匀性见表5、表6。

  备注:放大100 倍评定带状碳化物宽度,放大500 倍评定带状碳化物密度。

  从上述表中可以看出,冶金质量不同,材料关键指标有很大区别,在设计产品时需根据轴承工况,选择不同级别的轴承材料。新能源汽车轴承宜选择特级优质轴承钢或超高洁净轴承钢。

  高标轴承钢需对钢棒进行超声及涡流或漏磁探伤,按要求去除钢棒心部、表面的裂纹,提高轴承的可靠性。

  新能源汽车变速箱轴承的锻造多采用中频感应加热方式,为避免过热、过烧现象的发生,中频感应加热设备标准配置:加热超温报警;三路自动分选;中频冷却水温、水压报警;温度实现闭环控制;温度测量采用红外线高温测量仪。折叠与裂纹涉及因素较多,折叠往往是毛刺压入导致,裂纹与过程温度控制有关;混料包括材质混料、炉批号混料、型号混料,与过程管理相关。锻造导致的质量问题见表8。

  近净成形技术是将锻件与冷辗技术相结合,用于生产高端金属环形零件,是先进的毛坯制造技术,在常温下辗扩,不仅尺寸精度高,节约原材料,节材率可达到15%~30%,而且产品内在质量高,滚道流线分布合理,晶粒细化如图2 所示,轴承疲劳寿命提高见表9,世界领先的轴承制造商均已采用这一技术,同时冷辗技术也受到国内轴承企业的重点关注。

  高速锻造:自动加热、自动剪切,机械手自动传递,自动成形,自动冲孔、分离,实现快速锻打,速度可达120 次/分钟,适用于大批量中小轴承、汽车零部件的锻造。

  多工位步进梁:采用热模锻设备,在同一台设备上完成压饼、成形、分离、冲孔等工序,工序之间传递采用步进梁,适用于中型轴承锻造,生产节拍10 ~15 次/分钟。

  机器人代替人:根据锻造工序,多台压机连线,压机之间产品传递采用机器人传递,适用于中大型轴承或齿坯锻造,生产节拍4 ~8 次/分钟。

  机械手代替人:改造现有锻造连线,采用简易机械手代替人,操作简单,投资少,适用于小型企业自动化改造。

  应用型本科院校是相对于研究型院校而言的,它的重点在于“应用”二字,需要学校培养出具有较高社会适应能力和社会竞争能力的应用型人才。而科学技术的发展和社会对人才的需求日新月异,所以需要教师能够实时更新专业领域方面的知识储备以及具备一定的应用研究能力。应用研究能力一般是在教师入职后逐渐培养起来的。一些教龄较短的年轻教师应用研究能力明显不足。调查表明,多数年轻教师撰写科研、教研论文是出于评职称的需要,有些年轻教师没有充分认识到应用研究和教学研究的重要性,因此,教师的应用研究能力也就难以得到提高。

  近净成形工艺毛坯尺寸精密,加工留量少。高速锻造后,锻件必须在保护气氛下进行球化退火,降低脱贫碳层,高速锻造锻件,保护气氛下产品脱贫碳见图4、图5。

  轴承钢650℃球化退火完成后,从650℃冷却至200℃出炉,工艺曲线,通常情况下这部分热量被白白浪费,将这部分释放的热量用来加热刚进炉膛的室温冷料,从而达到节能目的(图7),能耗达到150 ~160kW·h/t,比传统退火节能达40%以上。

  图6 典型的高碳铬轴承钢等温球化退火工艺曲线 高碳铬轴承钢等温球化退火余热利用原理

  根据新能源汽车工况,变速箱轴承需在高速、高承载、长寿命、低摩擦、低噪声下工作,同时轴承的工作环境比较恶劣,轴承在运行过程中,变速箱内存在很多的金属碎屑,会在轴承工作表面形成压痕,引起应力集中,成为疲劳源。故要求热处理后产品得到高硬度、高耐磨性,高强韧性配合的独特性能,尤其是工作表面。而硬度与韧性是一对矛盾,高硬度往往伴随高脆性,轴承设计时希望轴承工作面有一层坚硬、耐磨组织,提高裂纹萌生的门槛值,同时又有高的韧性,提高裂纹扩展功,阻止裂纹扩展。

  奥氏体是面心立方结构,硬度低、韧性高,是阻止裂纹扩展的理想组织,从而可以提高轴承的疲劳寿命,因此在表面获得高硬度、高耐磨性的同时,希望得到高的残余奥氏体组织,但表面残余奥氏体含量提高又会影响表面硬度,而且奥氏体是不稳定相,轴承工作时在外力、一定温度作用下,残余奥氏体会发生分解转变为马氏体。

  由于转变的马氏体没有回火,故会有出现微裂纹的风险,同时残余奥氏体转变会使轴承尺寸发生变化,最终导致轴承失效,因此过高的残余奥氏体也是不利的,为此GB/T 34891-2016 标准中规定,常规回火残余奥氏体不大于15%。但15%残余奥氏体不足以提高新能源变速箱轴承的疲劳寿命,表面需得到20%以上的残余奥氏体,才能起到残余奥氏体的有利作用,要求残余奥氏体必须稳定,又不能影响硬度,仍需保证高的耐磨性,这需要对轴承表面进行特殊热处理工艺——复合热处理表面改性技术。

  ⑵氮对扩渗层的影响:碳氮共渗时,固溶在奥氏体中的氮会明显降低Ac1 温度,(奥氏体相开始形成),并使共析点向下移动,扩大奥氏体区范围,碳、氮进入基体后,两者在奥氏体中的溶解度互相产生影响,可在轴承渗层获得富氮马氏体,并形成氮化物、碳氮化合物新相,大大增加耐磨性,同时残余奥氏体明显增加,由于氮的溶入使残余奥氏体稳定性也显著增加。

  ⑶碳氮共渗层对轴承性能的影响:①提高共渗层淬硬性,获得富氮(碳)马氏体,具备更优良的耐磨性;②表面渗层获得很高的含氮残余奥氏体含量,提高抗裂纹萌生、扩展的能力,提高疲劳寿命;③含氮残余奥氏体提高了稳定性;④获得新相组织,氮化物、碳氮化合物,进一步提高耐磨性;⑤获得很高的残余压应力,可获得更高温度下稳定的残余应力。

  ⑷高碳轴承钢碳氮共渗主要控制技术指标:①共渗层深度;②表面硬度,基体硬度;③渗层表面缺陷,空隙、晶界氧化、脱贫碳、屈氏体网;④表面自由铁素体;⑤表面无碳化物层深度;⑥共渗层均匀性;⑦渗层氮含量、碳含量;⑧共渗层碳化物/碳氮化合物尺寸大小及形貌;⑨共渗层、心部基体屈氏体级别;⑩共渗层、心部基体马氏体级别;共渗层、心部基体残余奥氏体含量。