某車型空心穩(wěn)定桿斷裂問題的分析與解決

許陽釗， 陳 磊， 劉勇奎， 張 澤

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州 511434)

為了獲得較好的舒適性，現(xiàn)代汽車大多都裝有橫向穩(wěn)定桿[1]。近年來，隨著輕量化設計要求的提高以及空心管材的制造技術不斷進步，空心穩(wěn)定桿在整車中的使用越來越普遍[2]。

本文以某車型前空心穩(wěn)定桿斷裂問題為研究對象，通過工藝分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，對改進件進行臺架及整車路試耐久試驗等步驟，最終解決了空心穩(wěn)定桿斷裂問題。

1 問題描述

為了減輕車輛簧下質量，某車型前橫向穩(wěn)定桿采用34MnB5空心管材制造。項目開發(fā)前期，在整車耐久路試過程中，出現(xiàn)了1例前空心穩(wěn)定桿斷裂問題，零件失效里程不足2 000 km，屬于早期斷裂失效，斷裂位置處于穩(wěn)定桿襯套內(nèi)側拐彎段，并不在最大設計應力位置，如圖1(a)所示，其斷口斷面如圖1(b)所示。

2 斷裂原因分析

對斷裂的前空心穩(wěn)定桿進行斷口分析、化學成分分析、硬度測試及金相分析，確認穩(wěn)定桿斷裂的根本原因。

2.1 斷口分析

清洗穩(wěn)定桿斷口，觀察斷口的宏觀斷裂形貌，按照斷裂特征可將斷口分為裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和終斷區(qū)3個區(qū)域，如圖1(b)所示。

(a)斷裂位置

(b)斷口斷面

圖1 穩(wěn)定桿斷裂樣件

通過電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌,裂紋源區(qū)為起裂位置，位于斷口的黑色區(qū)域，在其邊緣斷口金屬受到擠壓，斷裂形貌不清晰，在未受到擠壓的區(qū)域觀察到冰糖狀沿晶斷裂形貌，同時可清晰地觀察到三叉晶界上的二次裂紋及塑性楞線，裂紋源區(qū)整體為脆性開裂特征，如圖2(a)所示。

斷口上的擴展區(qū)主要由拉長的韌窩群組成，為韌性斷裂，表明材料具有一定的塑性，其斷裂時受到較大應力的作用，如圖2(b)所示。終斷區(qū)與斷口表面呈一定夾角，為受到剪切應力形成的剪切唇帶。

(a)裂紋源區(qū)

(b)擴展區(qū)

圖2 形貌SEM圖

2.2 化學成分分析

在穩(wěn)定桿斷口附近未開裂區(qū)域取樣，利用紅外碳硫儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，參考GB/T 4336—2016[3]規(guī)定的檢測方法分析穩(wěn)定桿材料化學成分，檢測結果符合材料標準要求。

2.3 硬度測試

在穩(wěn)定桿斷口處直接取樣進行硬度測試，測試前先將樣品的表面涂層打磨掉，在距離外表面0.1 mm處和內(nèi)表面處分別測3個不同位置點的硬度，然后取3處硬度的平均值。距離外表面0.1 mm處測得硬度平均值為47.3 HRC，內(nèi)表面處測得硬度平均值為46.5 HRC，均滿足設計要求。

2.4 金相分析

在斷口裂紋源區(qū)沿穩(wěn)定桿空心管材的縱向取截面進行裂紋源區(qū)金相組織觀察，穩(wěn)定桿樣品材料截面金相組織基本一致，都是淬火+回火熱處理組織，未見異常。管材內(nèi)壁有輕微脫碳，總脫碳層深度約60～70 μm，未觀察到全脫碳層，管材外壁未觀察到明顯的脫碳。

穩(wěn)定桿樣品進行金相分析前要先進行腐蝕處理，樣品腐蝕前，在斷口剖面裂紋源區(qū)樣品上觀察到多處沿晶裂紋，但未發(fā)現(xiàn)氧化皮等缺陷。樣品腐蝕處理后可清晰地觀察到沿晶裂紋，裂紋包絡的區(qū)域較大，若為一個晶粒，平均尺寸約為50 μm，晶粒度在5.5級左右，如圖3所示。以上表明了穩(wěn)定桿開裂非熱處理過程中直接產(chǎn)生，裂紋源區(qū)斷裂具有一定的延遲性[4]。

2.5 原因判斷

一般來說，空心穩(wěn)定桿的制造要經(jīng)過冷彎成型、電阻加熱、淬火、回火及后續(xù)工序完成。其中淬火環(huán)節(jié)尤為關鍵，淬火介質、淬火溫度、淬火時間都要嚴格控制，如果淬火工藝控制不好，往往會產(chǎn)生淬火裂紋缺陷。空心管材經(jīng)過冷彎之后具有一定的殘余變形，通過電阻加熱后為了防止變形，一般會夾持穩(wěn)定桿的兩端進行約束淬火。穩(wěn)定桿經(jīng)過淬火之后形成馬氏體組織，這種組織具有很強的各向異性，在晶界處產(chǎn)生剪切應力，形成微裂紋，微觀上即表現(xiàn)為冰糖狀沿晶脆性開裂。由于穩(wěn)定桿表面淬火冷卻速度較快，在穩(wěn)定桿表面更易開裂。在穩(wěn)定桿使用過程中，由于外部應力與內(nèi)部應力的綜合作用，在開裂的晶界位置產(chǎn)生韌性撕裂，形成裂紋源區(qū)冰糖狀沿晶開裂+沿晶二次裂紋+塑性楞線特征的斷裂形貌。

3 生產(chǎn)工藝改進及驗證

通過上述分析，判斷穩(wěn)定桿斷裂與熱處理過程有關，需要對穩(wěn)定桿供應商的生產(chǎn)工藝進行排查確認，尤其是淬火工藝過程。

淬火的目的是使穩(wěn)定桿獲得所需的馬氏體組織，提高工件的硬度、強度和耐磨性，為回火熱處理做好組織準備[5-6]。首先檢查穩(wěn)定桿淬火工序的生產(chǎn)工藝卡，其淬火液溫度為5～40 ℃，對比國標GB/T 6955—2008要求的淬火液溫度20～40 ℃[7]，懷疑淬火液溫度下限值偏低。為驗證淬火液溫度的影響，制作3組穩(wěn)定桿樣件，每組樣件只變更淬火液溫度參數(shù)，其他工藝參數(shù)保持相同，經(jīng)過回火后的樣件使用著色探傷檢查表面質量。結果表明淬火液溫度為10～15 ℃的樣件中有3件發(fā)現(xiàn)裂紋，而淬火液溫度為20～25 ℃和30～35 ℃的兩組樣件均沒有裂紋產(chǎn)生。由此可見，淬火液溫度偏低，導致淬火反應劇烈，組織應力作用于穩(wěn)定桿表面出現(xiàn)淬火裂紋。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定桿經(jīng)過熱處理之后有校正工序。一般情況下，穩(wěn)定桿熱處理后會放入檢具進行尺寸檢測，如果能完全放進檢具說明穩(wěn)定桿形狀及尺寸合格，如果放不進檢具說明局部形狀尺寸超差。對于不合格的穩(wěn)定桿樣件，供應商會對尺寸不合格的局部位置進行加熱校正，如圖4所示。穩(wěn)定桿經(jīng)過加熱校正后，局部金相組織發(fā)生變化，穩(wěn)定桿表面微裂紋進一步劣化，抽檢有表面裂紋的穩(wěn)定桿樣件進行加熱校正后，發(fā)現(xiàn)裂紋深度由0.06 mm擴大為0.12 mm。而且對于校正過的穩(wěn)定桿樣件也沒有進行探傷檢查，導致存在表面裂紋的不良品流入后續(xù)工序。

圖4 穩(wěn)定桿加熱校正

參照國標要求，將淬火液溫度要求調(diào)整為20～40 ℃，取消加熱校正工序，制造新穩(wěn)定桿樣件進行臺架耐久試驗，試驗后未發(fā)生穩(wěn)定桿斷裂。將新穩(wěn)定桿樣件裝配在整車上進行道路耐久試驗，耐久試驗后也未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定桿斷裂現(xiàn)象，試驗結果驗證了改善對策的有效性和可靠性。

4 結 論

1) 穩(wěn)定桿斷口處存在多處沿晶裂紋，具有延遲斷裂特征，分析認為穩(wěn)定桿的斷裂與熱處理過程有關，熱處理后產(chǎn)生微裂紋。

2) 淬火液溫度偏低，導致淬火反應劇烈，組織應力作用于穩(wěn)定桿表面出現(xiàn)淬火裂紋。

3) 采用加熱校正方法，會使穩(wěn)定桿表面裂紋進一步劣化，降低疲勞壽命。

4) 穩(wěn)定桿生產(chǎn)中需要采用探傷手段對穩(wěn)定桿表面和內(nèi)部質量進行檢查，防止存在缺陷的不良品流入后續(xù)工序。