管狀扭力梁感應(yīng)熱處理工藝開發(fā)

余建平，蘇海波，鄭玉磊

保隆(安徽)汽車配件有限公司 安徽宣城 242000

1 序言

扭力梁是汽車底盤后懸架系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)部件之一，其作用是平衡因車輪跳動(dòng)而帶來的影響，確保行駛平穩(wěn)。目前，扭力梁主要分為板材沖壓扭力梁和管狀扭力梁兩種類型，其中管狀扭力梁按成形工藝又可分為液壓成形、冷沖壓成形和熱壓成形等幾類[1]。與其他成形方式相比，管狀液壓成形扭力梁具有更高的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命及尺寸精度，且減重效果顯著[2]。隨著汽車輕量化的快速發(fā)展，管狀扭力梁使用的材料已從普通高強(qiáng)鋼逐漸過渡到熱成形鋼。近年來，一些企業(yè)在以熱成形鋼為原料的基礎(chǔ)上，采用液壓成形、淬火和回火工藝路線開發(fā)管狀扭力梁，其疲勞壽命得到顯著提高[3]，并已被廣泛應(yīng)用于主流車型中。

通常情況下，管狀扭力梁的熱處理強(qiáng)化工藝為整體淬火＋回火，但該工藝存在能耗較高、環(huán)境污染大及生產(chǎn)成本高等問題。近年來，感應(yīng)熱處理作為一種節(jié)能環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的工藝，在汽車零部件的生產(chǎn)制造中受到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在齒輪、傳動(dòng)軸及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，在扭力梁的生產(chǎn)應(yīng)用方面，相關(guān)研究較為有限。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者胡素文[4]對(duì)扭力梁高頻淬火裝置進(jìn)行了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，殷平玲[5]研究了高頻感應(yīng)淬火＋回火工藝參數(shù)對(duì)扭力梁組織和性能的影響。本文以熱成形鋼管狀液壓成形扭力梁為研究對(duì)象，探究了感應(yīng)熱處理工藝參數(shù)的選用原則、工藝調(diào)試及檢測(cè)結(jié)果，成功開發(fā)了適用于管狀扭力梁的感應(yīng)熱處理工藝。

2 零件特征及性能要求

本文研究對(duì)象為管狀液壓成形扭力梁，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。材料為BR1500HS熱成形鋼，厚度3mm，化學(xué)成分見表1。熱處理后性能要求：抗拉強(qiáng)度≥1100MPa，斷后延伸長(zhǎng)率≥7%。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 管狀液壓成形扭力梁結(jié)構(gòu)

3 感應(yīng)淬火工藝開發(fā)

3.1 感應(yīng)淬火設(shè)備

本次淬火工藝調(diào)試采用德國(guó)EFD立式感應(yīng)淬火機(jī)床，該設(shè)備配備先進(jìn)的感應(yīng)器伺服控制系統(tǒng)和可視化的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控淬火工藝參數(shù)，精確控制感應(yīng)線圈移動(dòng)和加熱，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 感應(yīng)淬火機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

3.2 感應(yīng)淬火工藝流程

扭力梁被垂直固定在淬火機(jī)床上，兩端通過上下頂尖固定，感應(yīng)器與噴淋水圈的間距保持不變（見圖2）。感應(yīng)淬火流程如下：扭力梁保持固定→感應(yīng)器與噴淋水圈從底部開始以特定速率同步上移，到達(dá)預(yù)定位置后，感應(yīng)器開始對(duì)零件進(jìn)行加熱→噴淋水圈對(duì)加熱后的區(qū)域進(jìn)行噴淋冷卻→達(dá)到終點(diǎn)后，感應(yīng)器停止加熱，噴淋水圈仍繼續(xù)噴水，確保加熱區(qū)域充分冷卻→感應(yīng)器與噴淋線圈回到初始位置，完成整個(gè)淬火過程。

圖2 感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn)示意

3.3 感應(yīng)器及噴淋水圈的選用

考慮設(shè)備額定功率、加熱總面積及加熱效率，需要選用圓環(huán)式多匝連續(xù)淬火感應(yīng)器。噴淋水圈由一個(gè)帶缺口的環(huán)形水套及一個(gè)獨(dú)立噴嘴組成，噴嘴位于缺口處。該噴嘴可以通過氣缸向V形槽內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行噴水，從而確保V形槽內(nèi)能夠充分冷卻。感應(yīng)器和噴淋水圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 感應(yīng)器及噴淋水圈結(jié)構(gòu)

3.4 電流頻率的選擇

在選擇電流頻率時(shí)，首先要考慮加熱方式。由于技術(shù)要求橫梁本體淬透，因此透入式加熱是首選方案，從而使電流透入深度大于零件淬硬層深度。根據(jù)理論分析[6]，頻率的選擇范圍在15000/Ds2＜f＜250000/Ds2，最佳頻率f≈60000/Ds2，其中，Ds為淬硬層深度。通過計(jì)算，實(shí)際電流頻率選定為8kHz。

3.5 加熱功率及掃描速率的確定

在確定了電流頻率以后，加熱功率和掃描速率就成為加熱過程中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。加熱功率決定相變區(qū)加熱速度，而掃描速率決定表面最終加熱溫度[7]。

由于扭力梁的異形截面結(jié)構(gòu)，因此不同位置的管壁距線圈的距離存在較大差異，為避免加熱時(shí)不產(chǎn)生過熱或加熱不充分的情況，需要對(duì)扭力梁進(jìn)行分段設(shè)置，包括加熱功率及掃描速率。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過加熱火色及金相組織的檢測(cè)結(jié)果來調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)。

3.6 淬火冷卻介質(zhì)的選用

為避免冷卻速度過快或過慢，淬火冷卻介質(zhì)選用PAG淬火劑，溫度設(shè)定為15～25℃，并使用折光儀進(jìn)行檢測(cè)將濃度控制在5%～6%。

3.7 感應(yīng)淬火工藝參數(shù)的確定

經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多輪調(diào)試后，確定了最終的感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，見表3。

表3 扭力梁感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

3.8 回火工藝參數(shù)的確定

淬火后的扭力梁需要進(jìn)行回火處理，以消除淬火應(yīng)力、穩(wěn)定組織和尺寸，并提高韌性。經(jīng)過試驗(yàn)，回火溫度設(shè)定為350℃，加熱時(shí)間90min。

4 檢測(cè)項(xiàng)目及結(jié)果

扭力梁扭轉(zhuǎn)時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)位于兩端過渡段外圓R角處，如圖4中的紅色區(qū)域所示。由于該位置極易發(fā)生疲勞開裂，因此該位置處的材料性能最為重要。

圖4 扭力梁扭轉(zhuǎn)過程應(yīng)力云圖

然而，該處無法直接測(cè)試?yán)煨阅?，故使用金相顯微鏡觀察其金相組織，然后使用維氏硬度計(jì)檢測(cè)該位置沿厚度方向上的顯微硬度分布。此外，在中間定截面段，通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)橫梁本體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試樣加工及試驗(yàn)方法按GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行。拉伸試樣及金相、硬度切割位置如圖5所示。

4.1 力學(xué)性能

感應(yīng)熱處理后力學(xué)性能如圖6所示。由圖6可見，進(jìn)行感應(yīng)淬火和回火后，橫梁本體的力學(xué)性能顯著提高。感應(yīng)淬火后，橫梁本體抗拉強(qiáng)度已達(dá)到1500MPa；而經(jīng)過回火處理后，橫梁本體抗拉強(qiáng)度超過1200MPa，斷后伸長(zhǎng)率在9%左右，完全符合性能要求。

圖6 感應(yīng)熱處理后力學(xué)性能

4.2 材料顯微組織

感應(yīng)熱處理前后，高應(yīng)力區(qū)材料顯微組織發(fā)生了顯著變化，如圖7所示。初始狀態(tài)為典型的鐵素體＋珠光體組織，經(jīng)感應(yīng)淬火后，顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體形態(tài)?；鼗鸷螅R氏體形態(tài)已經(jīng)消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w形態(tài)。

圖7 感應(yīng)熱處理前后顯微組織形貌

4.3 顯微硬度

感應(yīng)熱處理后高應(yīng)力區(qū)（見圖5）沿厚度方向顯微硬度變化情況如圖8所示。從圖8可看出，經(jīng)感應(yīng)淬火后硬度值超過440HV，回火后超過370HV，且在不同位置上，從表面到中心的硬度變化范圍在20HV以內(nèi)。這些數(shù)據(jù)表明，感應(yīng)淬火充分，所得淬硬效果較好。再結(jié)合高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度和維氏硬度之間的換算關(guān)系[8]，經(jīng)過計(jì)算，回火后高應(yīng)力區(qū)材料抗拉強(qiáng)度超過1140M P a，滿足零件熱處理性能要求。

圖8 壁厚方向顯微硬度分布

4.4 扭轉(zhuǎn)疲勞性能測(cè)試

扭力梁在滿足設(shè)計(jì)條件及力學(xué)性能的情況下，還需滿足扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)要求。臺(tái)架試驗(yàn)裝置如圖9所示，要求疲勞壽命至少達(dá)到35萬次。試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，疲勞壽命達(dá)到41萬次，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖9 扭力梁臺(tái)架試驗(yàn)裝置

5 結(jié)束語

1）扭力梁感應(yīng)熱處理工藝的成功開發(fā)取決于合理的淬火工裝設(shè)計(jì)和正確的熱處理工藝參數(shù)設(shè)置。

2）經(jīng)感應(yīng)熱處理后，扭力梁的力學(xué)性能和扭轉(zhuǎn)疲勞性能均達(dá)到技術(shù)要求。

3）感應(yīng)熱處理工藝可替代傳統(tǒng)整體熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)扭力梁的低碳、節(jié)能生產(chǎn)。