高強(qiáng)鋼在重卡車架上的應(yīng)用

邵剛，殷寒寒，高松

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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高強(qiáng)鋼在重卡車架上的應(yīng)用

邵剛，殷寒寒，高松

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著國家對安全、減重節(jié)能和環(huán)保的重視，重卡輕量化的需求日益迫切。車架作為重卡最大的零部件，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)減輕重量成為輕量化的重點(diǎn)研究對象。文章通過對高強(qiáng)鋼縱梁的成型結(jié)果進(jìn)行分析，論證高強(qiáng)鋼縱梁在現(xiàn)有設(shè)備下的應(yīng)用情況，為整車輕量化提供依據(jù)。

高強(qiáng)鋼；重卡；車架

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.018

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-50-04

引言

車架總成是整個(gè)汽車的基礎(chǔ)，是汽車的脊梁。汽車上的其他大總成都裝配到車架上，車架總成既是承載結(jié)構(gòu)同時(shí)又是傳力構(gòu)件。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最?。卉嚰芤矐?yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與壽命縱梁等主要零部件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以減小整車質(zhì)量。

近年來，交通運(yùn)輸、公路管理等國家部門在全國范圍內(nèi)對超載車輛的查處日益嚴(yán)格，《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理制度日益規(guī)范和完善，政府出臺(tái)了一系列政策、法規(guī)，大力倡導(dǎo)節(jié)能減排。這些因素促使道路運(yùn)輸車輛，特別是重型汽車，出現(xiàn)了輕量化的趨勢。同時(shí)，迫于激烈的市場競爭、原材料價(jià)格上漲的壓力，為降低整車成本、降低整車質(zhì)量以提高載質(zhì)量利用系數(shù)，進(jìn)而降低使用油耗，產(chǎn)品輕量化也是汽車企業(yè)自身發(fā)展的需要和應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對重型汽車而言，車架自重是整車整備質(zhì)量的重要貢獻(xiàn)源。因此，車架的輕量化對重型汽車整車的輕量化具有重要意義。

1、材料選取及成型驗(yàn)證

減輕車架質(zhì)量的方法主要有兩種：一是采用高強(qiáng)度材料替代強(qiáng)度相對較低的材料；二是對車架總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高材料利用率。以某重卡載貨車為例，在采用高強(qiáng)鋼之前，縱梁為雙層結(jié)構(gòu)，其中主梁材料采為550L，副梁材料為510L，經(jīng)過對標(biāo)分析及鋼材廠家的推薦，決定選用高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的單層縱梁，鋼材牌號(hào)為QStE700，則單臺(tái)車架降重達(dá)到200kg，降幅約15%，效果明顯。

表1　

由于選用的新材料強(qiáng)度較原來有了較大提高，在使用相同的設(shè)備成新后，發(fā)生嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。

圖1　開裂宏觀形貌

圖2　試樣光學(xué)顯微組織形貌

2、開裂原因分析

從開裂的宏觀試樣來看，開裂位置發(fā)生在靠近孔位的折彎處，并且此端遠(yuǎn)離折彎處未出現(xiàn)開裂，孔內(nèi)部沿圓周方向在厚度中心部位觀察到可視裂紋。

圖3　試樣孔內(nèi)部宏觀形貌

根據(jù)上述情況，從材料角度出發(fā)，對提供的試樣進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸、冷彎力學(xué)性能、金相組織、低倍酸洗檢測，尋找分析其開裂原因。

2.1化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用火花源原子發(fā)射光譜儀（光譜儀）氧氮聯(lián)測儀（氧氮儀）對化學(xué)成分進(jìn)行檢測，檢查結(jié)果如下表：

表2　化學(xué)成分檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果看，QStE700材料各元素化學(xué)成分均滿足廠家技術(shù)條件要求。

2.2力學(xué)性能檢測

對開裂材料提取試樣分別進(jìn)行拉伸和冷彎力學(xué)性能檢測，拉伸試樣和冷彎試樣取樣位置見圖 4，拉伸試樣為縱向（軋向），冷彎試樣為橫向，拉伸試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加工成帶肩試樣（b=25mm，L0=80mm）見圖5，拉伸試驗(yàn)在Zwick/Roell Z600拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，冷彎進(jìn)行彎心直徑d=a，寬度b=35mm，180°試驗(yàn)，拉伸冷彎力學(xué)性能見表，拉伸曲線見圖，冷彎試樣結(jié)果表明試樣橫向冷彎無裂紋，冷彎后試樣宏觀形貌見圖。

圖4　拉伸和冷彎取樣位置

表3　拉伸冷彎力學(xué)性能檢測結(jié)果

從拉伸及冷彎試驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸力學(xué)性能完全滿足材料技術(shù)條件要求，屈服、抗拉、延伸率分別較技術(shù)要求高72MPa、95MPa、10%，各指標(biāo)富余量均較大。說明開裂與試樣力學(xué)性能無關(guān)。

圖6　702試樣拉伸曲線

圖7　703試樣拉伸曲線

圖8　冷彎后試樣宏觀形貌

2.3組織和夾雜物檢測

金相試樣取樣位置見圖。其中開裂區(qū)域金相試樣取樣個(gè)數(shù)為1個(gè)，進(jìn)行缺陷分析（包括金相組織和非金屬夾雜檢測），正常區(qū)域金相試樣取樣個(gè)數(shù)為2個(gè)，用于組織和非金屬夾雜物檢測。

正常區(qū)域試樣檢測結(jié)果：

表4　非金屬夾雜物檢測結(jié)果

圖9　光學(xué)顯微組織形貌（中心位置100倍）

組織為鐵素體，中心區(qū)域有珠光體條帶，晶粒度10.5~12.5級(jí)，試樣光學(xué)顯微鏡觀察，僅觀察到少量細(xì)系氧化鋁類和球化的細(xì)系氧化物類夾雜，級(jí)別很低為0.5級(jí)，說明此鋼材鋼水純凈度高，并且夾雜物球化變性效果明顯。非金屬夾雜物檢測結(jié)果見表3。

圖10　光學(xué)顯微組織形貌（中心位置500倍）

缺陷開裂區(qū)域檢測結(jié)果：

試樣上有數(shù)條與表面不連通的裂紋，裂紋形貌見圖11，裂紋內(nèi)未見夾雜，裂紋附件組織為鐵素體，組織無異常，見圖12。從上述光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果看，正常區(qū)域和開裂缺陷區(qū)域未見異常組織，非金屬夾雜物級(jí)別低。

圖11　裂紋形貌

2.4酸洗低倍檢驗(yàn)

圖13　縱梁酸洗后外側(cè)面

為觀察試樣表面情況，對已沖壓的縱梁試樣進(jìn)行低倍酸洗檢驗(yàn)，酸洗后的試樣宏觀形貌見圖13、14，試樣酸洗后上下表面質(zhì)量均良好，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的表面缺陷，說明縱梁開裂與表面質(zhì)量無關(guān)。

圖14　縱梁酸洗后內(nèi)側(cè)面

酸洗后發(fā)現(xiàn)，孔四周有明顯的龜裂和環(huán)狀裂紋，見圖15，其在沖壓過程中，孔四周龜裂和環(huán)狀裂紋很容易作為外部裂紋源，在拉壓力的作用下導(dǎo)致縱梁開裂。

圖15　孔酸洗后宏觀形貌

3、結(jié)果分析

從以上結(jié)果分析可以得出：

（1）試樣各化學(xué)元素成分均符合鋼廠技術(shù)條件要求；

（2）拉伸力學(xué)性能均滿足鋼廠技術(shù)條件要求，并且各指標(biāo)均有足夠大的富余量，在比鋼廠技術(shù)條件要求更嚴(yán)格的冷彎試驗(yàn)條件下，冷彎試驗(yàn)合格，說明縱梁開裂與力學(xué)性能無關(guān)；

（3）試驗(yàn)組織無異常，非金屬夾雜物級(jí)別低，排除了因組織異常和非金屬夾雜物引起的縱梁開裂；

（4）酸洗后上下表面質(zhì)量均良好，說明縱梁開裂與表面質(zhì)量無關(guān)；

（5）從縱梁開裂形貌、位置和酸洗后孔內(nèi)周圍發(fā)現(xiàn)的龜裂和橫向裂紋來看，縱梁開裂位置與孔緊密相鄰，而遠(yuǎn)離孔的縱梁折彎變形另一側(cè)未發(fā)生開裂，初步判斷縱梁開裂與孔有關(guān)，初步分析原因是：孔內(nèi)的龜裂和橫向裂紋作為裂紋源在沖壓變形過程中受拉應(yīng)力作用導(dǎo)致縱梁開裂。

4、解決方案

（1）根據(jù)鋼廠提供的高強(qiáng)鋼牌號(hào)，選取 QStE650代替原有的 QStE700，降低沖孔所需要的沖裁力，并減小成型時(shí)的機(jī)床振動(dòng)，保證成型質(zhì)量；

（2）縱梁成型時(shí)采用沖孔后反面成型的工藝，避免孔在沖孔方向受拉應(yīng)力作用；

（3）孔位布置調(diào)整，較小的孔邊距離折彎邊距離保證≥35mm，大孔邊距距離折彎邊距離保證≥40mm。

5、結(jié)語

本文簡要敘述了高強(qiáng)鋼在重卡車架上的應(yīng)用情況，通過對開裂的材料進(jìn)行成分、力學(xué)性能分析，得出產(chǎn)生破壞的原因與成型工藝有直接關(guān)系，為高強(qiáng)鋼在重卡車型上應(yīng)用提供了理論參考。

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Application of High Strength Steel in Heavy Truck Frame

Shao Gang, Yin Hanhan, Gao Song
( Anhui Jianghuai Automobile CO.LTD, Anhui Hefei 230601 )

With the country of safety，energy saving and environmental protection the importance of weight loss，heavy truck lightweight urgent demand.Frame heavy truck parts as the largest，at the same time to meet the strength reduce weight become the focus of the research object of lightweight.This paper analysed the results through the forming of high strength steel stringer，application demonstration of high strength steel stringers in the existing equipment，and provide the basis for the lightweight of vehicle.

High Strength Steel; heavy truck; frame

邵剛，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U466

A

1671-7988 （2016）06-50-04