三工位锻造与余热正火工艺下车轮毂轴承芯轴显微组织演变的多尺度数值模拟与实验验证

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigation on Microstructural Evolution during Mandrel Forging and Residual Heat Normalizing Process of Hub Bearings

　　

车轮毂轴承组件通常通过锻造后正火处理制造，然而传统正火工艺能耗高且生产效率有限。本研究表明，三工位锻造结合余热正火工艺能够在提高生产效率和降低能耗的同时获得均匀的铁素体-珠光体显微组织。本研究针对55钢车轮毂轴承芯轴的三工位锻造及余热正火过程中的显微组织演变及相关关键技术进行了深入探究。研究人员对55钢进行了等温热压缩试验，并基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）准则建立了动态再结晶模型。根据零件的几何特征制定了锻造策略并设计了模具。利用DEFORM软件建立了车轮毂轴承芯轴的热力耦合有限元模型。基于终锻模型，开发了余热正火有限元模型，用于研究不同冷却策略（包括连续空冷和空冷后等温保温）对温度演变和显微组织特征的影响。通过金相分析、硬度测量和力学性能评估等实验验证了所提出的锻造及余热正火工艺的可行性。结果表明，三工位锻造结合余热正火能够生产出成形无缺陷、显微组织均匀的高质量车轮毂轴承芯轴。本研究聚焦于55钢车轮毂轴承芯轴零件，对热变形材料参数进行了全面校准，并将三工位锻造模拟与锻后余热正火相变模拟进行了耦合。揭示了零件不同位置处变形、余热与显微组织之间的关联机制，为开发此类零件的节能热处理工艺提供了基础依据。

一、研究背景与现存问题

在全球碳中和倡议及汽车零部件轻量化、集成化趋势的双重背景下，金属热成形行业对节能、高性能、近净成形制造技术的需求日益增长。车轮毂轴承芯轴作为车辆行走系统的安全承载件，承受长期循环载荷、冲击载荷及摩擦作用，对其显微组织均匀性、硬度稳定性和疲劳性能提出了严苛要求。目前主流的工业生产路线是热锻后完全空冷至室温，再将工件重新加热至奥氏体化温度并保温完成常规正火处理。这一工艺需经历两次高温加热阶段，导致大量燃料和电力消耗。此外，坯料的反复加热和冷却延长了整个生产周期，增加了制造成本，与汽车零部件行业日益重视的绿色制造理念不符。

现有研究多集中于单道次简单压缩变形的建模，无法捕捉由镦粗、预锻和终锻构成的多阶段连续变形所产生的累积应变效应，因此难以准确表征三工位模锻的真实变形历史，限制了本构和再结晶模型的工程适用性。在复杂轴类锻件的数值模拟领域，现有研究大多聚焦于单个成形阶段（如镦粗或终锻），而非完整的制造序列，缺乏涵盖镦粗、预锻和终锻全过程的集成建模，未能捕捉顺序变形引起的应变继承效应。此外，多数模拟仅提供应力和温度分布，未嵌入动态再结晶动力学模型来定量预测晶粒尺寸演变，难以揭示性能不均匀性的微观组织根源。对于锻后余热正火模拟，以往研究主要依赖JMatPro等热力学计算软件获取热物性和相变参数，但研究对象多为板、棒和焊接件等简单几何形状，而对带有整体法兰和内孔的复杂锻件研究极少。同时，现有研究很少比较不同冷却策略（如分段空冷和低温等温保温）对铁素体-珠光体显微组织演变和均匀性的影响。更重要的是，大多数研究将热锻模拟和锻后热处理模拟分开处理，没有建立集成多工位热变形、晶粒演变和余热固态相变的完全耦合框架，忽略了应变诱导储能梯度对后续奥氏体分解的影响，导致模拟预测与实验观察到的显微组织之间存在显著差异。

为解决上述局限性，本研究针对55钢汽车车轮毂轴承芯轴，首先进行宽温度范围和多种应变率下的等温压缩试验，建立高温本构模型和动态再结晶预测模型；其次，设计适配零件几何特征的三工位近净形模锻策略，开发覆盖整个锻造过程的热力耦合有限元模型，分析各成形阶段的温度、应力、应变和再结晶行为演变；最后，结合JMatPro导出的相变参数进行余热正火模拟，比较不同冷却策略对显微组织调控的影响。

二、主要关键技术方法

1. 1.
   等温热压缩试验与动态再结晶模型建立：利用Gleeble-3800D热力模拟试验机对55钢圆柱试样进行等温热压缩，基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）准则，通过非线性回归拟合流变应力曲线，建立峰值应变模型、临界应变模型、动态再结晶动力学模型及晶粒尺寸演变模型。
2. 2.
   多工位锻造热力耦合有限元模拟：采用DEFORM-3D软件建立包含镦粗、预锻和终锻三个工位的完整锻造过程有限元模型，设定初始坯料温度1200°C、模具预热温度200°C、锻造速度400 mm/s（初步模拟）及350 mm/s（优化生产条件模拟）等参数，分析变形行为、温度场、应力应变演变及微观组织变化。
3. 3.
   基于JMatPro的相变参数获取与余热正火模拟：利用JMatPro软件计算55钢在不同正火温度下的等温转变（TTT）曲线和连续冷却转变（CCT）曲线，提取相变潜热数据，基于终锻模型建立余热正火有限元模型，对比连续空冷和空冷后等温保温两种冷却策略对温度演变和显微组织特征的影响。
4. 4.
   实验验证：通过JFP-1600曲柄式机械热模锻压力机进行中试规模锻造试验，对锻件进行宏观形貌检查和尺寸测量；对余热正火处理后的试样进行金相分析、硬度测量和力学性能评估，采用电子背散射衍射（EBSD）技术和Image-Pro Plus（IPP）软件统计分析晶粒尺寸和铁素体体积分数，验证数值模拟的准确性。

三、研究结果

3.1. 流变应力行为

通过分析不同温度和应变率下的高温应力-应变曲线发现，55钢的应力呈现先快速上升、后缓慢下降、最终趋于稳定的趋势。在恒定变形温度下，峰值应力随应变率增大而增大；在恒定应变率下，峰值应力随温度升高而逐渐减小。

3.2. 本构方程

研究人员建立了动态再结晶的临界模型、动力学模型和晶粒尺寸模型。通过线性拟合确定了峰值应变模型中材料常数m₁=0.143和a₁=0.00605；通过工作硬化率曲线的拐点确定临界应变与峰值应变的比例系数a₁₀=0.4396；基于JMAK模型建立了动态再结晶动力学方程和平均晶粒尺寸模型。

3.3. 热锻过程与显微组织演变分析

3.3.1. 镦粗过程中的宏微观演变规律

镦粗过程分为初始填充和鼓形两个阶段。温度分布显示接触界面约1050°C，心部和定位台阶处高达1230°C。等效应变分布不均，高应变区集中在与下模接触区域和定位台阶附近，上下端面为典型难变形区。动态再结晶从心部向表层扩展，晶粒尺寸与再结晶分数呈反比关系，平均晶粒尺寸为102 μm。

3.3.2. 预锻过程中的宏微观演变规律

预锻过程分为上孔成形、型腔填充和下凸台成形三个阶段。温度分布显示界面因热传导降温明显，心部因塑性变形热积累达1230°C。等效应变最大值集中在锻件上部和外表面（1.3-3.5）。动态再结晶从上区向下区逐步发展，约99%的区域发生再结晶，平均再结晶分数为87.2%，平均晶粒尺寸细化至43.6 μm。

3.3.3. 终锻过程中的宏微观演变规律

终锻过程中，上孔率先形成并持续加深，随后上端面逐渐形成，下孔在最后阶段开始成形。飞边区因剧烈塑性变形温度最高（1250-1300°C）。等效应变最大值为9.45，平均值3.71，高应变区集中在上孔和外表面。动态再结晶以径向方式从中心向外表面发展，平均再结晶体积分数为56.7%，平均晶粒尺寸进一步细化至35.2 μm。

3.4. 锻后余热正火工艺分析

3.4.1. 锻后空冷正火模拟

空冷过程中温度分布不均，薄壁边缘为低温区，心部为高温区。先共析铁素体体积分数从表面向心部逐渐增加，表面冷却速率高导致铁素体分数较低。在164 s时，铁素体平均分数为10.1%，主要分布在8%-12%之间；184 s时平均分数为10.2%。

3.4.2. 锻后等温正火模拟

等温保温过程中温度波动显著小于空冷过程。在93 s时温度分布相对均匀，主要集中在690-705°C。先共析铁素体同样从表面向心部逐渐增加，但在保温过程中，当表面约一半铁素体转变完成时，心部才开始转变，与空冷过程存在明显差异。188 s时铁素体转变完成，平均分数为15.5%。

3.5. 成形实验与力学性能验证

3.5.1. 热锻实验与分析

中试锻造试验表明，车轮毂轴承芯轴充填饱满，外形尺寸满足设计要求，表面光滑无折叠缺陷。EBSD分析显示，P1和P2位置因终锻阶段成为难变形区，动态再结晶不充分，晶粒细化程度有限；而P3位置位于下孔区域，终锻阶段变形量大，促进了进一步的晶粒细化。预测晶粒尺寸与实验值的平均绝对相对误差仅为6.20%，表明建立的晶粒尺寸预测模型精度高。

3.5.2. 余热正火实验验证

等温保温路线的显微组织均匀性优于连续空冷路线。等温处理后，先共析铁素体网络显著减少，心部某些区域的铁素体呈现出块状形貌，类似于常规正火组织。通过IPP软件定量分析P1-P6测量点的铁素体面积分数，有限元模拟结果与实验结果吻合良好。

四、讨论与结论

本研究通过对55钢车轮毂轴承芯轴零件进行全面的热变形材料参数校准，并将三工位锻造模拟与锻后余热正火相变模拟进行耦合，揭示了零件不同位置处变形、余热与显微组织之间的关联机制。研究结果表明，三工位锻造结合余热正火工艺能够生产出成形无缺陷、显微组织均匀的高质量车轮毂轴承芯轴。其中，采用空冷后等温保温的冷却策略相比连续空冷能获得更均匀的显微组织和更高的铁素体含量。该研究为开发此类零件的节能热处理工艺提供了基础依据，有望推动余热正火技术在复杂轮毂锻件中的大规模工业应用。