管狀扭力梁感應熱處理工藝開發

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的重要結構部件之一，其作用是平衡因車輪跳動而帶來的影響，確保行駛平穩。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展，管狀扭力梁使用的材料已從普通高強鋼逐漸過渡到熱成形鋼。近年來，一些企業在以熱成形鋼為原料的基礎上，采用液壓成形、淬火和回火工藝路線開發管狀扭力梁，其疲勞壽命得到顯著提高[3]，并已被廣泛應用于主流車型中。

通常情況下，管狀扭力梁的熱處理強化工藝為整體淬火＋回火，但該工藝存在能耗較高、環境污染大及生產成本高等問題。近年來，感應熱處理作為一種節能環保且經濟的工藝，在汽車零部件的生產制造中受到廣泛應用，主要應用在齒輪、傳動軸及轉向系統生產領域。然而，在扭力梁的生產應用方面，相關研究較為有限。目前，國內學者胡素文[4]對扭力梁高頻淬火裝置進行了自動化設計，殷平玲[5]研究了高頻感應淬火＋回火工藝參數對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象，探究了感應熱處理工藝參數的選用原則、工藝調試及檢測結果，成功開發了適用于管狀扭力梁的感應熱處理工藝。

2 零件特征及性能要求

本文研究對象為管狀液壓成形扭力梁，其結構如圖1所示。材料為BR1500HS熱成形鋼，厚度3mm，化學成分見表1。熱處理后性能要求：抗拉強度≥1100MPa，斷后延伸長率≥7%。

表1 試驗材料化學成分（質量分數） （%）

圖1 管狀液壓成形扭力梁結構

3 感應淬火工藝開發

3.1 感應淬火設備

本次淬火工藝調試采用德國EFD立式感應淬火機床，該設備配備先進的感應器伺服控制系統和可視化的質量監控系統，可實時監控淬火工藝參數，精確控制感應線圈移動和加熱，主要技術參數見表2。

表2 感應淬火機床主要技術參數

3.2 感應淬火工藝流程

扭力梁被垂直固定在淬火機床上，兩端通過上下頂尖固定，感應器與噴淋水圈的間距保持不變（見圖2）。感應淬火流程如下：扭力梁保持固定→感應器與噴淋水圈從底部開始以特定速率同步上移，到達預定位置后，感應器開始對零件進行加熱→噴淋水圈對加熱后的區域進行噴淋冷卻→達到終點后，感應器停止加熱，噴淋水圈仍繼續噴水，確保加熱區域充分冷卻→感應器與噴淋線圈回到初始位置，完成整個淬火過程。

圖2 感應淬火工藝試驗示意

3.3 感應器及噴淋水圈的選用

考慮設備額定功率、加熱總面積及加熱效率，需要選用圓環式多匝連續淬火感應器。噴淋水圈由一個帶缺口的環形水套及一個獨立噴嘴組成，噴嘴位于缺口處。該噴嘴可以通過氣缸向V形槽內徑向運動并進行噴水，從而確保V形槽內能夠充分冷卻。感應器和噴淋水圈結構如圖3所示。

圖3 感應器及噴淋水圈結構

3.4 電流頻率的選擇

在選擇電流頻率時，首先要考慮加熱方式。由于技術要求橫梁本體淬透，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。通過計算，實際電流頻率選定為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關鍵參數。加熱功率決定相變區加熱速度，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構，因此不同位置的管壁距線圈的距離存在較大差異，為避免加熱時不產生過熱或加熱不充分的情況，需要對扭力梁進行分段設置，包括加熱功率及掃描速率。生產現場通過加熱火色及金相組織的檢測結果來調整這兩個參數。

3.6 淬火冷卻介質的選用

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

3.7 感應淬火工藝參數的確定

經過生產現場多輪調試后，確定了最終的感應淬火工藝參數，見表3。

表3 扭力梁感應淬火工藝參數

3.8 回火工藝參數的確定

淬火后的扭力梁需要進行回火處理，以消除淬火應力、穩定組織和尺寸，并提高韌性。經過試驗，回火溫度設定為350℃，加熱時間90min。

4 檢測項目及結果

扭力梁扭轉時的最大應力區位于兩端過渡段外圓R角處，如圖4中的紅色區域所示。由于該位置極易發生疲勞開裂，因此該位置處的材料性能最為重要。

圖4 扭力梁扭轉過程應力云圖

然而，該處無法直接測試拉伸性能，故使用金相顯微鏡觀察其金相組織，然后使用維氏硬度計檢測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，通過拉伸試驗機對橫梁本體進行力學性能測試，試樣加工及試驗方法按GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉伸試驗方法》規定執行。拉伸試樣及金相、硬度切割位置如圖5所示。

4.1 力學性能

感應熱處理后力學性能如圖6所示。由圖6可見，進行感應淬火和回火后，橫梁本體的力學性能顯著提高。感應淬火后，橫梁本體抗拉強度已達到1500MPa；而經過回火處理后，橫梁本體抗拉強度超過1200MPa，斷后伸長率在9%左右，完全符合性能要求。

圖6 感應熱處理后力學性能

4.2 材料顯微組織

感應熱處理前后，高應力區材料顯微組織發生了顯著變化，如圖7所示。初始狀態為典型的鐵素體＋珠光體組織，經感應淬火后，顯微組織轉變為低碳馬氏體形態?；鼗鸷?，馬氏體形態已經消失，轉變為回火屈氏體形態。

圖7 感應熱處理前后顯微組織形貌

4.3 顯微硬度

感應熱處理后高應力區（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，經感應淬火后硬度值超過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。這些數據表明，感應淬火充分，所得淬硬效果較好。再結合高強鋼抗拉強度和維氏硬度之間的換算關系[8]，經過計算，回火后高應力區材料抗拉強度超過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 扭轉疲勞性能測試

扭力梁在滿足設計條件及力學性能的情況下，還需滿足扭轉疲勞試驗要求。臺架試驗裝置如圖9所示，要求疲勞壽命至少達到35萬次。試驗結果見表4。由表4可知，疲勞壽命達到41萬次，滿足標準要求。

表4 扭轉疲勞試驗結果

圖9 扭力梁臺架試驗裝置

5 結束語

1）扭力梁感應熱處理工藝的成功開發取決于合理的淬火工裝設計和正確的熱處理工藝參數設置。

2）經感應熱處理后，扭力梁的力學性能和扭轉疲勞性能均達到技術要求。

3）感應熱處理工藝可替代傳統整體熱處理工藝，實現扭力梁的低碳、節能生產。