李衛(wèi)紅，崔忠榮，王福平，馬秋，袁成逸

（浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315336）

引言

汽車橫向穩(wěn)定桿屬于汽車懸架系統(tǒng)內(nèi)的輔助彈性元件，它的作用是在汽車轉(zhuǎn)彎或遇到阻力時(shí)產(chǎn)生抗傾側(cè)的阻力，提升行車過程中的平順性及舒適性[1]。橫向穩(wěn)定桿在工作過程中會受到扭轉(zhuǎn)、擠壓和剪切力作用，這就要求穩(wěn)定桿除了要有很高的彈性極限，還需要有很好的疲勞強(qiáng)度[2-4]。因此各主機(jī)廠會選擇彈簧鋼作為穩(wěn)定桿原材料，同時(shí)也會要求零件滿足疲勞行程 10萬次，且無塑性應(yīng)變的設(shè)計(jì)要求。

1 失效情況與分析方法

某車型前穩(wěn)定桿材料為彈簧鋼60Si2CrVA，設(shè)定的工藝過程為落料-端頭加工-加熱成形-淬火-回火-精整-噴丸-噴涂-標(biāo)識。在疲勞臺架實(shí)驗(yàn)中完成95 %時(shí)突然發(fā)生斷裂，斷裂位置在穩(wěn)定桿彎折處，如圖1所示。為分析該前穩(wěn)定桿斷裂失效原因，對失效零部件開展了斷口、化學(xué)成分、硬度、金相等方面的試驗(yàn)分析。

圖1 穩(wěn)定桿彎折處斷裂

2 試驗(yàn)分析過程

2.1斷口分析

2.1.1宏觀斷口分析

斷裂的穩(wěn)定桿宏觀形貌如圖2所示，斷口有較大起伏，呈現(xiàn)為疲勞特征，圖2（a）中分隔線將斷口分成三部分，疲勞源、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)為光潔扇形區(qū)域，疲勞起源于彎拐處內(nèi)側(cè)表面；疲勞擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)以疲勞源為中心，向四周輻射快速放射狀條紋或臺階形貌；快速斷裂區(qū)靠近零件表面的地方有一層平滑區(qū)域。裂紋萌生和擴(kuò)展是疲勞斷裂的主要過程[5]。

圖2 穩(wěn)定桿宏觀斷口區(qū)域

2.1.2微觀斷口

斷口的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)微觀形貌分別如圖3、圖4所示。疲勞源扇形區(qū)域呈光潔細(xì)晶狀,且存在明顯細(xì)密的疲勞貝紋線，為高周低應(yīng)力疲勞特征形貌；從疲勞源區(qū)起始的疲勞擴(kuò)展區(qū)依次呈沿晶、解理+韌窩形貌，為疲勞快速擴(kuò)展斷裂或脆性斷裂特征。

圖3 疲勞源區(qū)微觀形貌

圖4 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

2.2化學(xué)分析

對橫向穩(wěn)定桿截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示，60Si2CrVA的化學(xué)成分符合GB /T 1222 要求。

表1 試樣的化學(xué)成分

2.3硬度分析

通過測試穩(wěn)定桿不同區(qū)域的性能判斷影響裂紋擴(kuò)展的原因，選取垂直于橫截面失效處與非失效部位取樣，對試樣內(nèi)側(cè)（疲勞源附近）、中部、外側(cè)硬度進(jìn)行檢測，取樣位置如圖5所示。設(shè)計(jì)要求硬度在44～48 HRC之間，而實(shí)際測試值中，非斷裂部位基體的硬度值從內(nèi)而外的結(jié)果分別是45 HRC、44.5 HRC、45.5 HRC，滿足設(shè)計(jì)要求。但是斷裂位置基體硬度從內(nèi)側(cè)至外側(cè)分別為48.5 HRC、45.7 HRC、25.3 HRC，急劇下降，其中外側(cè)硬度已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 試樣硬度測試

2.4金相分析

在試樣斷裂處附件切縱剖面試樣鑲嵌后進(jìn)行金相分析，疲勞源區(qū)表面脫碳嚴(yán)重，白色鐵素體部分為完全脫碳區(qū)，如圖6（a）所示，且脫碳層表面存在多條裂紋，最短裂紋長度約95 um。脫碳會顯著降低穩(wěn)定桿性能，導(dǎo)致早期疲勞起源。從內(nèi)側(cè)（疲勞源區(qū)）向外側(cè)金相組織圖片分別見圖6（b）（c）（d）所示，近疲勞源區(qū)金相組織為極細(xì)粒狀滲碳體和針狀鐵素體組成的回火屈氏體組織。疲勞源區(qū)往外的中部及外側(cè)金相組織為異常調(diào)質(zhì)組織，中部位置的組織均為鐵素體+屈氏體，外側(cè)組織為鐵素體+珠光體組織，金相組織分布與硬度檢測結(jié)果一致，從內(nèi)側(cè)至外側(cè)急劇下降。穩(wěn)定桿為整體熱處理，對于同一截面硬度大幅度變化情況，考慮熱處理工藝不均勻?qū)е隆?/p>

圖6 金相組織

3 討論與驗(yàn)證

3.1分析與討論

前穩(wěn)定桿斷裂為疲勞斷裂，斷裂起始于彎拐處內(nèi)側(cè)表面，此處臨近襯套安裝位置，也是穩(wěn)定桿最大應(yīng)力分布位置[6]。疲勞裂紋首先產(chǎn)生在應(yīng)力集中或缺陷位置，從金相圖6中看穩(wěn)定桿內(nèi)側(cè)表面脫碳層嚴(yán)重在交變應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生裂紋，加上組織的不均勻，加速了裂紋的快速擴(kuò)展。

穩(wěn)定桿的脫碳受原材料以及熱處理工藝等諸多因素影響，裂紋的產(chǎn)生也受熱處理工藝的影響，淬火時(shí)表層不同部位線膨脹系數(shù)不同同樣會使零件表面脫碳層產(chǎn)生微裂紋[7]，因此穩(wěn)定桿的熱處理工藝尤為重要。穩(wěn)定桿的熱處理方式主要是用淬火+回火工藝，淬火加熱溫度（880~930）℃，然后進(jìn)行油淬，最后進(jìn)行（430±10）℃中溫回火。在調(diào)查現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)淬火工藝手動操作，以及油淬前入油溫度沒有進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而造成穩(wěn)定桿脫碳層以及組織不穩(wěn)定。另外淬火液未設(shè)計(jì)循環(huán)系統(tǒng)，淬火液會隨著穩(wěn)定桿數(shù)量的增加，冷卻能力下降。

綜上所述，為改善穩(wěn)定桿的質(zhì)量，需要改善穩(wěn)定桿的熱處理工藝，首先淬火工藝要保證零部件全部淬透，零部件中頻淬火溫度設(shè)定為910 ℃；采用自動淬火裝置進(jìn)行，在線監(jiān)測溫度，使穩(wěn)定桿的入油溫度不得低于740 ℃，阻止油淬前發(fā)生珠光體的轉(zhuǎn)變；定期檢測淬火油的冷卻能力，淬火油溫在（25~70）℃。其次，回火溫度均勻，回火設(shè)定溫度（430±10）℃且保溫70 min，工件加熱的過程中要避免相互緊貼和擠壓。最后，增加原材料脫碳層的檢驗(yàn)以及零部件表面質(zhì)量檢查，識別故障件，避免流出。

3.2改善與驗(yàn)證

改善后樣件在相同位置進(jìn)行抽檢檢驗(yàn)如圖7所示，穩(wěn)定桿表面為半脫碳層，無全脫碳， 金相組織為回火屈氏體+少量鐵素體，從內(nèi)向外側(cè)測量硬度分別平均為46.1 HRC、45.8 HRC、46.3 HRC，未發(fā)現(xiàn)硬度軟點(diǎn)及異常組織，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 改善后驗(yàn)證金相組織

4 結(jié)論

1）穩(wěn)定桿斷裂為疲勞斷裂，導(dǎo)致穩(wěn)定桿疲勞斷裂的直接原因是彎拐處內(nèi)側(cè)表面存在嚴(yán)重脫碳層組織及裂紋。

2）穩(wěn)定桿材料硬度從內(nèi)側(cè)（疲勞源區(qū)）、中部至外側(cè)急劇下降，即穩(wěn)定桿內(nèi)部組織不均勻?qū)е缕诳焖贁U(kuò)展斷裂。

3）建議調(diào)整熱處理工藝，確保淬火工藝中將零部件淬透，避免軟點(diǎn)；增加原材料及零部件檢測，不得存在裂紋及脫碳等缺陷，識別故障件，避免流出。