汽車橫向穩(wěn)定桿的熱處理
——技術(shù)要求及工藝控制要點

王海寶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車橫向穩(wěn)定桿的熱處理
——技術(shù)要求及工藝控制要點

王海寶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

橫向穩(wěn)定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件。橫向穩(wěn)定桿起到增加懸架剛度的作用。裝有橫向穩(wěn)定桿的車輛行駛較穩(wěn)定、舒適，且翻車幾率大大降低。穩(wěn)定桿的設(shè)計與校核一直是人們研究的重點?，F(xiàn)在基本都采用有限元計算方法；穩(wěn)定桿的設(shè)計應(yīng)力不能太高，還必須用淬火+回火的熱處理方式來進行強化處理。熱處理是保證穩(wěn)定桿的使用性能與可靠性的最關(guān)鍵的工藝過程。金相組織是決定穩(wěn)定桿疲勞壽命的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定桿熱處理就是為了獲得良好的金相組織。組織粗大及含有游離鐵素體等非馬氏體組織都會降低穩(wěn)定桿的疲勞壽命。加強熱處理過程控制并采取針對性的監(jiān)控措施可以防止穩(wěn)定桿產(chǎn)生不良的金相組織。

橫向穩(wěn)定桿；疲勞壽命；熱處理；金相組織

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-37-04

前言

橫向穩(wěn)定桿又稱防傾桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件。它的作用是提高汽車懸架側(cè)傾角剛度。減少車身傾角，使汽車在路況不平或轉(zhuǎn)彎時能夠行駛平穩(wěn)。與扭桿彈簧不同之處是有4點固定安裝在懸架上，其中兩端頭通過側(cè)臂端部的橡膠墊或球頭連桿與懸架導向臂連接，桿的中部用橡膠襯套與車身相連，見圖 1。車輛在行駛中，如果左、右車輪同時上下跳動。那么橫向穩(wěn)定桿起不了作用：當左、右車輪垂直方向產(chǎn)生相對位移時，橫向穩(wěn)定桿中間部分受扭轉(zhuǎn)側(cè)臂受彎，起到增加懸架剛度的作用。裝有橫向穩(wěn)定桿的車輛行駛較穩(wěn)定、舒適，且翻車幾率大大降低。

圖1 橫向穩(wěn)定桿

近來，由于對汽車產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保特性的要求越來越高，多數(shù)汽車企業(yè)對零部件的輕量化也提出更高的要求，對穩(wěn)定桿的設(shè)計、制造過程的嚴格要求導致其可靠性受到挑戰(zhàn)，使壽命試驗不易過關(guān)，使用中的早期失效的事故也有發(fā)生。這其中多數(shù)與制造過程中的熱處理工序的控制有關(guān)，這與因輕量化改善后對穩(wěn)定桿的組織與性能的更高要求也有關(guān)聯(lián)。

本文將根據(jù)對汽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計、工藝過程以及使用情況的調(diào)研及分析論述對橫向穩(wěn)定桿熱處理工藝的具體要求，重點論述熱處理時發(fā)生的不良組織及避免這些情況的發(fā)生對熱處理過程需要加以控制的要點。

1 汽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計與制造

1.1 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計

穩(wěn)定桿的設(shè)計對于提高汽車行駛過程的平順性具有重要意義，汽車穩(wěn)定桿的設(shè)計與校核一直是人們研究的重點?，F(xiàn)在基本都采用有限元元件作為一種有效的數(shù)值計算方法，因為它具有快速計算在受載時的應(yīng)力分布，從而確定其薄弱部位，判斷產(chǎn)品的可靠性和疲勞壽命等功能。

在汽車產(chǎn)品有輕量化的需要時，為減小重量，有的橫向穩(wěn)定桿采用空心圓管制成，通常管壁厚與外徑之比多為0.125左右。此時，比實心桿外徑增加了11.8%，但質(zhì)量可以減小約50%，所以橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計就分為實心穩(wěn)定桿與空心穩(wěn)定桿兩種類型。

與汽車操縱穩(wěn)定性直接相關(guān)的設(shè)計指標是它在車輪處的等效側(cè)傾角剛度，而不是其本身的側(cè)傾角剛度；其次，穩(wěn)定桿的設(shè)計必須滿足強度要求；第三，應(yīng)盡量減輕穩(wěn)定桿的質(zhì)量[1]。穩(wěn)定桿設(shè)計所追求的是，在滿足受載及與底盤其它零部件不發(fā)生干涉的前提下具有所必須的側(cè)傾角剛度，做到在穩(wěn)定桿重量最小化的情況下其工作應(yīng)力包括正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的最小化。

1.2 汽車橫向穩(wěn)定桿的生產(chǎn)工藝過程

汽車橫向穩(wěn)定桿通常按下述工序進行加工制造：下料→端部成型→整體成型→淬火→回火→精整→噴丸強化→無損檢測（磁粉探傷）→噴涂。

（1）汽車橫向穩(wěn)定桿常用原材料一般為彈簧圓鋼。通常情況下實心穩(wěn)定桿的材料主要為 60Si2Mn、50CrVA，日本幾家汽車公司一般采用STKD以及Sup9系列，德國常用55Cr3等鋼材。空心穩(wěn)定桿常用35CrMo，德國用28Mn6等。

（2）穩(wěn)定桿端部大體分為扁頭狀和圓筒狀，其中扁頭狀應(yīng)用最多。端部加工多用鍛壓法，即在中頻加熱機局部加熱至950℃-1000℃后在專用鍛壓機上成形。

（3）淬火是橫向穩(wěn)定桿熱處理的重要工序，淬火的目的是使橫向穩(wěn)定桿獲得所需的馬氏體組織。為后道熱處理作好組織準備。

橫向穩(wěn)定桿的熱處理基本分為兩種方式，一是熱成形穩(wěn)定桿（多為直徑較大的實心穩(wěn)定桿）多采用中頻感應(yīng)加熱至950℃-1050℃后熱成形，然后直接進行余熱淬火，另一種冷態(tài)成形的穩(wěn)定桿（多為直徑不太大的實心穩(wěn)定桿或空心穩(wěn)定桿）需要按通常的淬火方法進行淬火，其淬火工藝因加熱方式不同而有所差別，加熱方式有加熱爐整體加熱、感應(yīng)加熱以及直接通電加熱等多種。加熱后一般采用油淬火 ，油中冷卻時間根據(jù)橫向穩(wěn)定桿材質(zhì)和直徑大小而略有不同。除此之外，淬火介質(zhì)溫度（油溫）一般控制在 20-80℃。

汽車橫向穩(wěn)定桿是長物件，其淬火作業(yè)除遵守一般淬火常規(guī)工藝外。還應(yīng)特別注意其整體加熱和冷卻中的變形問題。多數(shù)橫向穩(wěn)定桿是三維結(jié)構(gòu)且形狀復雜。因此熱處理后在一些彎曲部分會產(chǎn)生較大變形，難以修正。較大的變形需要在回火后的精整工序中解決。

（4）回火是穩(wěn)定桿淬火后緊接著進行的一道熱處理工序，它決定著橫向穩(wěn)定桿最終的的力學性能?；鼗饡r溫度要均勻，保溫時間要充足。工件在加熱過程中應(yīng)避免互相緊貼和擠壓。

橫向穩(wěn)定桿一般采用中溫回火。回火加熱保持時間至少應(yīng)在1 h以上?；鼗鸷蟮玫接捕戎翟?7-46 HRC的范圍內(nèi)?；鼗疬^程不僅消除了淬火時所產(chǎn)生的應(yīng)力，還可獲得細致的屈氏體組織，屈服強度、彈性極限和韌性也較為理想。

（5）噴丸處理是穩(wěn)定桿的表面強化處理，是為了提高穩(wěn)定桿的疲勞強度性能。

（6）無損檢測是為了檢出存在嚴重的表面缺陷（包括原材料缺陷及淬火裂紋等）的穩(wěn)定桿，通常采用磁粉探傷方法。

（7）穩(wěn)定桿的表面處理（涂裝）工序通常采用塑料靜電噴涂的方法。

2 汽車橫向穩(wěn)定桿的熱處理品質(zhì)控制

2.1 汽車橫向穩(wěn)定桿的受載狀態(tài)及設(shè)計應(yīng)力

橫向穩(wěn)定桿在汽車運行過程中在平滑的道路上直行的情況下，穩(wěn)定桿處于無載荷的狀態(tài)。汽車轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾給予穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)力矩，而汽車左右轉(zhuǎn)向穩(wěn)定桿受的力矩是相反的。疲勞試驗時穩(wěn)定桿的兩端始終給與方向相反的交變力，穩(wěn)定桿所受到的扭矩造成它從平衡位置以相同的幅度反復扭轉(zhuǎn)。所以，其應(yīng)力與時間的變化的類型是屬于對稱循環(huán)類型（如圖2），它和一般螺旋彈簧的單向循環(huán)類型（圖3）不同。

圖2 交變應(yīng)力類型-對稱循環(huán)

圖3 單向應(yīng)力循環(huán)

從彈簧的疲勞極限圖（見國GB/T23935-2009）可知，在最大應(yīng)力相同的情況下，對稱循環(huán)的疲勞壽命大大低于一般的單向應(yīng)力循環(huán)的彈簧。因此，穩(wěn)定桿的設(shè)計最大應(yīng)力通常比較低，如日本NHK（日本發(fā)條）對實心和空心穩(wěn)定桿的材質(zhì)及最大應(yīng)力的規(guī)定如表1。

表1 實心穩(wěn)定桿的材質(zhì)與應(yīng)力（NHK）

所以，可以看出橫向穩(wěn)定桿的應(yīng)力設(shè)計比螺旋壓簧要低很多。

2.2 對汽車橫向穩(wěn)定桿熱處理的技術(shù)要求

由于穩(wěn)定桿工作狀態(tài)決定對其進行的疲勞壽命試驗應(yīng)施加稱應(yīng)力循環(huán)的載荷，使得為了保證數(shù)十萬次疲勞壽命，穩(wěn)定桿的設(shè)計最大應(yīng)力不能太高。另一方面還必須用淬火+回火的熱處理方式來進行強化處理達到穩(wěn)定桿的優(yōu)良的疲勞性能。因此，可以說熱處理是保證穩(wěn)定桿的使用性能與可靠性的最關(guān)鍵的工藝過程。一般都知道鋼的強化處理的效果好壞首先就要求零件淬火處理工序能獲得馬氏體組織，然后再根據(jù)產(chǎn)品零件的工作載荷及環(huán)境需要經(jīng)過回火處理獲得所需的組織與性能。通常汽車橫向穩(wěn)定桿都有規(guī)定要進行淬火與回火處理，處理后的硬度在37HRC-46HRC的范圍內(nèi)，具體合格范圍要根據(jù)穩(wěn)定桿的材料及設(shè)計應(yīng)力進行選取，如日本彈簧工業(yè)協(xié)會制定的穩(wěn)定桿標準(JSMA-SA008)推薦的材料及硬度要求如表2所示。

表2 不同鋼種穩(wěn)定桿的硬度

從表中看出，碳鋼選的硬度較低，含合金的彈簧鋼選高一些，其中空心穩(wěn)定桿采用SUP9與SUP9A(鉻錳鋼)的，最高硬度可達461 HBW。

一般情況下穩(wěn)定桿的熱處理硬度應(yīng)該是指整體的硬度即從材料表面至心部的硬度要求。但近來穩(wěn)定桿的淬火除用電爐整體加熱外還出現(xiàn)了感應(yīng)加熱的工藝，因為感應(yīng)加熱是表面層的局部加熱，所以它有硬化層深度的問題，如果硬化層深度不夠也可能會影響穩(wěn)定桿的疲勞性能而發(fā)生早期疲勞斷裂的問題。

2.3 穩(wěn)定桿熱處理質(zhì)量控制的要點

但是穩(wěn)定桿是為保證汽車行駛穩(wěn)定性的重要零件，應(yīng)該說也是一個安全件。那么，是不是只要穩(wěn)定桿的硬度符合要求就可以保證穩(wěn)定桿的運行安全而可靠呢，當然不是。還有其它重要的性能指標如疲勞性能等都必須符合圖紙與技術(shù)文件的規(guī)定。事實證明在熱處理硬度符合圖紙規(guī)定的情況下也有發(fā)生過穩(wěn)定桿早期疲勞斷裂的事例，除了原材料表面缺陷以及噴丸處理工序的不良等因素外，有很多就是熱處理工序中出現(xiàn)的不良造成的。其中最關(guān)鍵的是金相組織，因為鋼的強韌性從根本上來說就取決于它的金相組織。所以文獻2通過對某汽車空心穩(wěn)定桿的金相組織與疲勞性能的關(guān)系的研究認為：內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是決定穩(wěn)定桿疲勞壽命的關(guān)鍵因素，在穩(wěn)定桿硬度符合技術(shù)要求的情況下，金相組織中有少量游離鐵素體以及回火索氏體組織的粗大都會降低穩(wěn)定桿的疲勞壽命。

下面就說明一下穩(wěn)定桿熱處理過程中易產(chǎn)生的金相組織不良以及為防止其發(fā)生的控制要點：

（1）組織粗大的問題

圖4 55Si2Mn鋼組織中的游離鐵素體

穩(wěn)定桿淬火回火后的基本組織是回火托氏體（或稱回火屈氏體）與回火索氏體，在顯微鏡下觀察，有較粗大與較細小的區(qū)別，其本質(zhì)是原奧氏體晶粒（即淬火冷卻前的奧氏體晶粒）的大小，原奧氏體晶粒大則熱處理后的組織就粗大。原奧氏體晶粒大小主要決定于原材料的晶粒大小與淬火加熱時的溫度與加熱和保溫時間，通常溫度越高、保溫時間越長晶粒越粗大。

（2）金相組織中的游離鐵素體

何謂游離鐵素體，因為回火馬氏體、回火托氏體或回火索氏體都是在鐵素體基體上分布細小的碳化物顆粒組成的，游離鐵素體是在顯微鏡下可以看到的塊狀或條塊狀的單相鐵素體。圖4就是一種彈簧鋼熱處理后存在游離鐵素體的不良組織，它是55Si2Mn鋼 850℃淬火180℃回火后的組織，回火馬氏體+白色顆粒狀鐵素體（由于淬火溫度低存在未溶鐵素體）有的鐵素體周邊有黑色托氏體。

組織中存在游離鐵素體就會降低鋼的力學性能從而影響零件的疲勞壽命（見文獻2）。

淬火組織中的游離鐵素體的產(chǎn)生一般有兩種情況，一是因加熱不足即奧氏體化溫度過低造成的未溶鐵素體，另一種是因淬火入油溫度太低或淬火冷卻速度不夠而產(chǎn)生的先析鐵素體（通常會出現(xiàn)在奧氏體晶界）。

應(yīng)該采取的措施為：前一種情況要正確控制好奧氏體化加熱的工藝參數(shù)包括加熱溫度和保溫時間，后一種情況則要控制穩(wěn)定桿淬火時的入油溫度，對于熱成形后直接淬火的工藝應(yīng)當建立在線監(jiān)測點測定穩(wěn)定桿入油溫度，還要加強控制淬火冷卻過程，監(jiān)測現(xiàn)場淬火介質(zhì)的溫度、攪拌情況等，并定期檢測淬火油的冷卻能力。

如果上述措施都不能徹底解決問題，則應(yīng)該注意材料的選用是否合理，要評審材料的淬透性是否與穩(wěn)定桿的尺寸匹配的問題。

（3）金相組織中含有其它非馬氏體組織

除上述游離鐵素體外，淬火組織中還可能存在其它非馬氏體組織，通常指索氏體、托氏體與上貝氏體，這些組織都是在穩(wěn)定桿淬火后尚未回火的組織中的索氏體和托氏體與回火索氏體和回火托氏體不同，它們是鐵素體和滲碳體的層片狀混合組織，力學性能較差。上貝氏體在顯微組織中的特征是呈羽毛狀。圖5就是55Si2Mn鋼經(jīng)850℃淬火180℃回火后的組織，為回火馬氏體（基體）+鐵素體、少量羽毛狀上貝氏體及深黑色淬火托氏體。圖6是60Si2MnA鋼經(jīng)850℃淬火400℃回火后的組織，為回火托氏體（基體）+少量未溶鐵素體、羽毛狀上貝氏體（由于加熱溫度偏低，淬火時冷卻不足造成）。

圖5 55Si2Mn淬火+低溫回火的組織

圖6 60Si2MnA淬火中 溫回火后組織

在穩(wěn)定桿熱處理后的組織中存在以上非馬氏體組織同樣是降低了材料的力學性能從而影響到穩(wěn)定桿的疲勞壽命。因此需要對穩(wěn)定桿的熱處理工藝過程行嚴格的管理，這類不良組織的產(chǎn)生多半也是與淬火時的冷卻速度不夠有關(guān)，所以也需要與上面提到的過程監(jiān)控類似的措施。

3 小結(jié)

總結(jié)以上的論述，其核心問題點如下：

（1）通過對汽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計、制造與使用等情況的調(diào)研與分析，可以說熱處理是保證穩(wěn)定桿的使用性能與可靠性的最關(guān)鍵的工藝過程。

（2）金相組織結(jié)構(gòu)是決定穩(wěn)定桿疲勞壽命的關(guān)鍵因素，在穩(wěn)定桿硬度符合技術(shù)要求的情況下，金相組織粗大及含有游離鐵素體等非馬氏體組織都會降低穩(wěn)定桿的疲勞壽命。

（3）加強熱處理過程控制并采取針對性的監(jiān)控措施可以防止穩(wěn)定桿產(chǎn)生不良的金相組織。

[1] 日本彈簧工業(yè)協(xié)會標準JSMA A008-2005《汽車零部件-穩(wěn)定桿》[S].

[2] 閔永安等,汽車穩(wěn)定桿組織與疲勞性能研究[J].金屬熱處理 2002年第27卷2期.

[3] 冀永相.汽車橫向穩(wěn)定桿制造.[J].金屬世界.2008年第2期.

Heat treatment of horizontal stabilizer bar——Technical requirements and process control points

Wang Haibao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The lateral stabilizer bar is a kind of auxiliary elastic element in automobile suspension. The lateral stabilizer bar plays an important role in increasing the suspension stiffness. The vehicle with lateral stabilizer bar is stable and comfortable, and the turnover probability is greatly reduced. The design and verification of stabilizer bar is always the focus of research. Now the finite element method is used, the design stress of the stabilizing rod can not be too high, and the quenching and tempering heat treatment method must be used. Heat treatment is the key process to ensure the stability and reliability of the stabilizer. Metallographic structure is the key factor to determine the fatigue life of the stabilizer bar. The structure of coarse and free ferrite and other non martensitic structure can reduce the fatigue life of the stabilizer bar. To strengthen the control of heat treatment process and to take appropriate measures to prevent the stability of the rod to produce bad metallurgical structure.

transverse stabilizer; rod fatigue life; heat treatment; metallographic structure

U466

：A

：1671-7988 (2017)11-37-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.014

王海寶，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。