发明领域
本发明涉及一种输入轴，具体涉及一种eps输入轴，属于合金钢材料领域。
背景技术：
随着国内汽车行业的快速发展，提高汽车整体的质量的要求越来越成为乘用车市场的主流。这样，乘用车转向系统也由原来的液压助力过渡到电动助力，汽车电动助力转向系统(eps)的主要零件输入轴抗断裂的要求也越来越高，同时对其抗扭强度性能的研究也随之展开。
现在的汽车转向系统的主要零件eps输入轴是进行普通的热处理后使用的(45号钢材料)，其配合件转向转向轴的材料也为铁质材料，由于在加工工艺和材料选择上的原因,在使用过程中发现汽车转向系统的主要零件eps输入轴有断裂的现象，特别是长期使用后，这种断裂现象更为严重。
我们对eps输入轴抗扭强度进行超负载试验,试验完成后发现eps输入轴有断裂的现象,断裂比例有3‰。
这样的断裂比例的汽车的安全性能造成了巨大的危害,严重影响了汽车整体的质量。甚至有可能是车毁人亡,为解决这一问题，长期以来，行业上都在寻找一种抗扭强度高性能稳定的材料。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种防断裂性能好的eps输出轴。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：一种eps输入轴，所述eps输入轴由合金钢制成，所述合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：1.3-2.2％，cr：16.2-16.8％，mo：14.2-14.9％，nb：0.5-0.8％，n：0.12-0.25％，si：0.26-0.32％,mn:0.34-0.39％,v：1.2-1.6％，稀土元素：0.67-0.82％，余量为fe；所述合金钢表面依次涂覆有铝层、贻贝足丝蛋白层和纳米zrc层。
本发明在合金钢表面涂覆铝层，能与合金钢基体形成一种铁铝合金，能增强合金钢的耐高温性能，同时，铝能与空气中的氧反应形成一层al2o3保护层,使钢板表面钝化，对化学腐蚀有极强的耐蚀性。本发明还在铝层的基础上沉积了贻贝足丝蛋白层，由于贻贝足丝蛋白特殊的分子结构、多巴(dopa)介导的链间交联和与底材之间的相互作用方式，贻贝足丝蛋白具有高强度、高韧性和防水性，以及极强的黏附基体的功能。将贻贝足丝蛋白沉积与铝层上，能形成致密膜层，从而进一步防止制得的eps输入轴的耐蚀能力。再者，本发明在合金钢的最外面涂覆了纳米zrc层，由于碳化物本身的性质，能使之具有机械性能，从而使制得的合金钢具有极强的抗断裂能力。
作为优选，所述铝层的厚度为2-3mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为1.5-2.5μm，所述纳米zrc层的厚度为1.3-2.0mm。
本发明eps输入轴采用铬钼合金钢，铬钼合金钢具有高强度和高韧性，还具有优良的淬透性，其中铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。而钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
在本发明eps输入轴中，通过在合金钢中加入si，能够提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合性能特别是弹性模量有利，还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀能力，但合金钢中si含量过高，则对钢的焊接性能不利，有损焊缝质量，并易导致冷脆，因此本发明选用上述含量的si。
另外，锰是好的脱氧剂和脱硫剂，显著提高淬透性。锰对钢的硬度和冲击韧度影响很大，硬度随锰含量的提高而上升，冲击韧度则随之下降。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰还能显著降低钢的心温度和奥氏体分解速度。但是作为合金元素锰也有它不利的一面。锰含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆性敏感性。冶炼浇铸和锻轧后冷却不当时，容易使钢产生白点。
另外，本发明通过在合金钢中添加nb，未固溶的nb在奥氏体晶界处沉淀生成碳化物或氮化物产生钉扎力，阻止晶粒长大的作用和沉淀强化作用均随其体积分数的增加而增大，随着合金钢中nb含量的增多，材料硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均得到提高。但当合金钢中nb含量大于0.8％时，沉淀形成的碳化物或氮化物直径增长较快，晶粒尺寸阈值变大，晶粒长大速度加快，从而使部分原来处于钉扎状态的晶粒解钉而长大，细化晶粒作用变小，断后伸长率下降，从而使材料强度等机械性能降低。
本发明eps输入轴通过在合金钢中添加v，能够提高钢的淬透性，v固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用；同时，v有细化晶粒的作用，在合金钢中与c反应生成碳化钒化合物，碳化钒化合物为碳化物中最坚硬耐磨的化合物，可以提高合金钢的耐磨性能，从而达到本发明的目的。因此，v通过细小碳化物颗粒的弥散分布可以提高钢的蠕变和持久强度，但v含量过高，对钢抗高温氧化性不利，因此本发明采用上述成分的v。
另外，稀土元素的加入还可以起到微合金化的作用，还能与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，有一定的除氢、精炼、净化作用。同时，还可以在长大的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，使晶粒细化，有变质的作用。从而提高铝合金的强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。因此，本发明进一步优选本稀土元素由la与ce按照质量比(1.2-1.5):1组成，
本发明的另一个目的在于提供一种上述eps输入轴的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；
预烧冷却：在1000-1050℃氢气气氛下预烧30-35min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在710-735mpa下复压；
烧结冷却：在1025-1050℃氢气气氛下烧结30-35min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1125-1130℃，时间为60-65min，压力为100-105mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品。
本发明采用复压复烧的方法制备eps输入轴，在制备过程中孔隙较小且比较圆滑，并弥散分布在合金钢基体中，而合金钢基体的强度和塑性会随着孔隙度的增加而降低，由于在铁基体中，孔隙的存在不会引起大的应力集中，但会削弱合金钢承载的有效断面，导致应力沿烧结材料的显微体积分布不均匀。而本发明采用复压复烧工艺，不仅可以降低合金钢的孔隙度，从而提升合金钢的拉伸轻度和伸长率，而且可以改变孔隙的形状，在复压过程中，合金钢中的孔隙会变小且形状也发生变化，在复烧过程中会导致孔壁的圆滑平直化和球化，使得合金钢在拉伸过程中的变形更加均匀且可减少应力集中。
在上述一种eps输入轴的制备方法中，所述压制成型的压力为620-655mpa。
在上述一种eps输入轴的制备方法中，所述tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.4-0.45％，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.8-0.85％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.65-0.7％。本发明通过加入tic陶瓷颗粒，能够增强得到的eps输入轴的硬度等机械性能。
在上述一种eps输入轴的制备方法中，通过热均压处理，能使fe基体与tic的网络状散布情形更为密集，同时在fe基体内出现黑色叶状组织，fe基体与tic颗粒之间能获得良好键结，且在极高压力下促使合金元素在fe基体内的溶解度增加，并在fe基体内形成叶状之组织，对于fe基体有强化作用，能明显提高材料的抗弯强度。作为优选，所述tic颗粒的直径为2-3mm。
在上述一种eps输入轴的制备方法中，所述淬火温度为1030-1035℃；所述回火温度为480-485℃，回火时间为3-3.5h。本发明通过在烧结后再进行淬火和回火工艺，能使合金钢内的v元素开始扩散至tic边缘上，cr则出现在fe基体内，界面上完全固结tic，而且合金元素v和cr更均匀地溶解在fe基体中，单标碳化物析出量变少，而主要强化机构来自fe基体与tic之间良好的散布及键结。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明在合金钢表面涂覆铝层，能增强合金钢的耐高温性能，同时，本发明还在铝层的基础上沉积了贻贝足丝蛋白层从而进一步防止制得的eps输入轴的耐蚀能力；再者，本发明在合金钢的最外面涂覆了纳米zrc层，从而使制得的合金钢具有极强的抗断裂能力；
2、本发明eps输入轴通过在合金钢中加入v和nb，可以提高合金钢的耐磨性能，材料硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均得到提高；
3、本发明采用复压复烧工艺，不仅可以降低合金钢的孔隙度，从而提升合金钢的拉伸轻度和伸长率，而且可以改变孔隙的形状，在复压过程中，合金钢中的孔隙会变小且形状也发生变化，在复烧过程中会导致孔壁的圆滑平直化和球化，使得合金钢在拉伸过程中的变形更加均匀且可减少应力集中。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：1.3％，cr：16.2％，mo：14.2％，nb：0.5％，n：0.12％，si：0.26％,mn:0.34％,v：1.2％，稀土元素：0.67％，余量为fe，稀土元素由la与ce按照质量比1.2:1组成；tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.4％，直径为2-mm，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.8％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.65％；压制成型的压力为620mpa；
预烧冷却：在1000℃氢气气氛下预烧30min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在710mpa下复压；
烧结冷却：在1025℃氢气气氛下烧结30min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1125℃，时间为60min，压力为100mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；其中，淬火温度为1030℃；回火温度为480℃，回火时间为3h；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品；其中，铝层的厚度为2mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为1.5μm，所述纳米zrc层的厚度为1.3mm。
实施例2
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：1.45％，cr：16.3％，mo：14.4％，nb：0.6％，n：0.15％，si：0.28％,mn:0.35％,v：1.3％，稀土元素：0.71％，余量为fe，稀土元素由la与ce按照质量比1.3:1组成；tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.41％，直径为2.2mm，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.81％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.66％；压制成型的压力为628mpa；
预烧冷却：在1015℃氢气气氛下预烧31min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在718mpa下复压；
烧结冷却：在1031℃氢气气氛下烧结31min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1126℃，时间为61min，压力为101mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；其中，淬火温度为1031℃；回火温度为481℃，回火时间为3.1h；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品；其中，铝层的厚度为2.2mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为1.7μm，所述纳米zrc层的厚度为1.5mm。
实施例3
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：1.75％，cr：16.5％，mo：14.55％，nb：0.65％，n：0.18％，si：0.29％,mn:0.37％,v：1.4％，稀土元素：0.74％，余量为fe，稀土元素由la与ce按照质量比1.35:1组成；tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.42％，直径为2.5mm，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.83％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.68％；压制成型的压力为637mpa；
预烧冷却：在1025℃氢气气氛下预烧33min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在722mpa下复压；
烧结冷却：在1037℃氢气气氛下烧结33min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1128℃，时间为62min，压力为103mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；其中，淬火温度为1033℃；回火温度为482℃，回火时间为3.3h；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品；其中，铝层的厚度为2.5mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为2μm，所述纳米zrc层的厚度为1.6mm。
实施例4
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：2.0％，cr：16.7％，mo：14.7％，nb：0.7％，n：0.22％，si：0.3％,mn:0.38％,v：1.52％，稀土元素：0.79％，余量为fe，稀土元素由la与ce按照质量比1.4:1组成；tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.44％，直径为2.8mm，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.84％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.68％；压制成型的压力为645mpa；
预烧冷却：在1040℃氢气气氛下预烧34min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在730mpa下复压；
烧结冷却：在1040℃氢气气氛下烧结34min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1128℃，时间为64min，压力为104mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；其中，淬火温度为1034℃；回火温度为484℃，回火时间为3.4h；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品；其中，铝层的厚度为2.8mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为2.3μm，所述纳米zrc层的厚度为1.8mm。
实施例5
压制成型：称取合金钢原料，球磨成粉，再与tic颗粒、石蜡、硬脂酸锌压制成型；其中，合金钢具体包括如下质量百分比的组分：c：2.2％，cr：16.88％，mo：14.9％，nb：0.8％，n：0.25％，si：0.32％,mn:0.39％,v：1.6％，稀土元素：0.82％，余量为fe，稀土元素由la与ce按照质量比1.5:1组成；tic颗粒的加入量为合金钢原料质量的0.45％，直径为3mm，所述石蜡的加入量为合金钢原料质量的0.85％，所述硬脂酸锌的加入量为合金钢原料质量的0.7％；压制成型的压力为655mpa；
预烧冷却：在1050℃氢气气氛下预烧35min，水冷出炉得预烧坯；
复压：将预烧坯在735mpa下复压；
烧结冷却：在1050℃氢气气氛下烧结35min后水冷，出炉；
热均压：热均压处理温度为1130℃，时间为65min，压力为105mpa；
淬火和回火：将热均压后的试样进行淬火和回火处理得eps输入轴半成品；其中，淬火温度为1035℃；回火温度为4855℃，回火时间为3.5h；
涂层涂覆：在eps输入轴上依次涂覆铝层、贻贝足丝蛋白层和zrc层得eps输入轴成品；其中，铝层的厚度为3mm，所述贻贝足丝蛋白层的厚度为2.5μm，所述纳米zrc层的厚度为2.0mm。
实施例6
与实施例1的区别仅在于，该实施例中的稀土元素由其他种类的稀土元素组成，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例7
与实施例1的区别仅在于，该实施例中eps输入轴在制备过程中没有加入tic颗粒，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴中采用普通市售合金钢，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中不含有nb，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中nb的含量为0.9％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中nb的含量为0.4％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例5
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中不含有v，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例6
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中v的含量为1.7％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例7
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中v的含量为1.1％，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例8
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢中不含有稀土元素，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例9
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢表面没有涂覆任何涂层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例8
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢表面只涂覆铝层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例9
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢表面只涂覆贻贝足丝蛋白层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例10
与实施例1的区别仅在于，该对比例eps输入轴采用的合金钢表面只涂覆纳米zrc层，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
将实施例1-7及对比例1-10中的eps输入轴进行性能检测，检测结果如表1所示。
表1：实施例1-7及对比例1-10中的eps输入轴测试结果
从上述结果可以看出，本发明采用复压复烧工艺，不仅可以降低合金钢的孔隙度，从而提升合金钢的拉伸轻度和伸长率，而且可以改变孔隙的形状，在复压过程中，合金钢中的孔隙会变小且形状也发生变化，在复烧过程中会导致孔壁的圆滑平直化和球化，使得合金钢在拉伸过程中的变形更加均匀且可减少应力集中。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。