熱處理工藝優化對提升汽車橫拉桿臂內在質量的研究

摘要：對汽車橫拉桿臂的熱處理工藝優化，主要提高淬火溫度至860℃以上，并對網帶式熱處理連續線的淬火冷卻系統進行改進，重點提升淬火油在冷卻系統中的淬火冷卻性能，通過介質冷卻特性、顯微組織、硬度及拉伸性能等試驗，結合XRD分析，研究淬火工藝優化對汽車橫拉桿臂內在質量提升的影響和效果。經研究，改進后，淬火油在實際生產中的淬火冷卻性能得到明顯提升，淬火冷卻過程也更加均勻穩定；調質后的橫拉桿臂回火組織等級由4～5級提高到3級，淬火硬度值提高約3.5%，回火硬度值提高約2.9%，抗拉強度值提高約6.2%，最終產品的不合格比例降低5%，證明淬火工藝優化對提高和改善汽車橫拉桿臂的內在組織和性能效果顯著。

關鍵詞：熱處理工藝；橫拉桿臂；內在質量

橫拉桿臂安裝在汽車橫拉桿端部，是汽車轉向系統中的重要組成部分，作為汽車結構保安件，橫拉桿臂在工作過程中受力情況復雜，因此，其使用安全性要求非常嚴格。橫拉桿臂屬于長軸線帶落差型鍛件，為了獲得良好的性能和質量，行業內常選用優質合金鋼作為其制造材料，常采用鍛造與熱處理的組合工藝模式進行批量生產。其中，熱處理作為關鍵生產工藝之一，對橫拉桿臂獲得高性能、高質量起到重要的作用[1]。常采用調質工藝，即淬火及高溫回火[2]，其中淬火作為核心工藝步驟之一，合理的工藝設計和冷卻系統布局，是保證橫拉桿臂不僅可以得到良好的顯微組織和拉伸性能，而且可以有效避免淬火開裂和組織畸變、提升產品內在質量、降低不合格率的重要因素[3]。

國內某知名重型貨車制造商的多種型號汽車橫拉桿臂的選材用42CrMo鋼（見圖1），作為優質中碳合金鋼，其可滿足汽車橫拉桿臂的選材性能需求，并采用熱模鍛－調質－探傷－機加工的工藝模式進行量產制造。在實際生產過程中發現，調質后的汽車橫拉桿臂出現顯微組織等級低、拉伸強度值低、回火硬度值無法滿足工藝要求等質量問題。經初步分析，主要判斷為淬火冷卻過程不均勻、不穩定，導致產品質量不佳。因此，本文主要通過介質冷卻特性、顯微組織、硬度及拉伸性能等試驗，結合XRD衍射圖譜分析，研究淬火工藝的優化對汽車橫拉桿臂組織與性能的影響，從而尋求提升產品內在質量、降低不合格品比例的熱處理技術路線。

試驗材料與方法

1.試驗材料

采用42CrMo鋼、φ60mm圓鋼料，化學成分見表1。

2.試驗方法

選用網帶式熱處理連續爐生產線，自動化程度高、控溫精準，可完整記錄生產工藝過程，主要包括淬火爐、冷卻系統、回火爐及回火冷卻系統，設計熱處理產能約1 t/h，其中額定淬火爐功率380 kW、回火爐額定功率460 kW。42CrMo作為亞共析鋼，在加熱和保溫過程中需考慮合金元素對奧氏體形成過程的延緩影響。隨著合金元素的溶解和再分配，部分合金元素會與碳形成較穩定的碳化物，從而延緩溶入奧氏體，同時考慮擴散激活能的提高、自身不易均勻化等諸多因素，淬火溫度需要適當提高，從而充分發揮合金化作用，因此，淬火溫度選擇應在AC3+（30～50）℃，以保證鐵素體能夠全部轉變為奧氏體，獲得全部細晶粒，淬火后得到理想的馬氏體組織。

因此，綜合考慮到工藝指標要求（調質后顯微組織1～4級，抗拉強度Rm=880～1030N/mm2，淬火布氏硬度壓痕直徑2.5～2.8mm，回火布氏硬度壓痕直徑3.49～3.75mm）并結合實際生產資源，橫拉桿臂的調質工藝為：淬火溫度860℃，淬火120min（包括加熱和保溫時間），回火溫度640℃，回火150min（包括加熱和保溫時間），選用快速淬火油作為淬火介質，熱處理工藝路線如圖2所示。

對于熱處理工藝優化，主要包括淬火溫度提高和淬火冷卻系統改進。其中：

1）淬火溫度由840℃提高到860℃。適當地提高淬火溫度，在奧氏體晶粒長大不明顯的情況下，由于碳化物溶解加速，奧氏體中的含碳量及合金元素量得到增加，淬火后的硬度得到提升，回火過程中析出彌散細小的碳化物，這種組織有利于提高橫拉桿臂的拉伸性能和回火穩定性，從而提升產品內在質量。

2）對于冷卻系統改進，經分析，系統外循環管路為φ100 mm，連接板式換熱器，管路長、彎角多、淬火介質流動慢且與外界熱交換能力不足；淬火池內死角多，淬火介質流動時出現紊流和淤堵；淬火攪拌主要依靠液面下方噴射管路系統，安裝位置距離工件入淬位置較遠，攪拌能力不足。制定改進方案如下：優化外循環管路，尺寸由φ100 mm 增大到φ125mm，減少管路折彎，改進外循環泵為IHG125-160B，增大輸送功率；外循環換熱器改進為螺旋散熱器，型號為KLS1.6-50-1.0/1200-14-D，板間距較大，可達14 mm，保證油污淤泥和細小氧化皮等有效通過，減少堵塞，換熱器板散熱面積可達50m2；改進淬火池內循環管路，將經外循環冷卻后的淬火介質能夠直接達到工件淬火有效區域，減少紊流和淤堵；攪拌系統改進為雙葉片渦流攪拌機構，型號AB5.5型，漿葉層數2層，功率5.5kW，攪拌器外徑400mm，轉數533r/min，攪拌方式由原來的兩側橫向噴射改進為垂直方向（工件上方一定距離）攪拌，有效提高淬火池內的內循環流速和淬火攪拌能力。

（1）冷卻特性試驗 "采用KHR-A型便攜式冷卻介質性能檢測儀，其主要技術參數為：溫度測量范圍0～1200℃；冷速測量范圍0～2000℃/s；測量溫度精度±1℃；最大冷速±5%；最大冷速所在溫度±5%；電源電壓220V；采樣速度最大1000次/s；修正系數0.5～1.5；加熱電爐功率1200 W。測溫采用NiCr-NiSi鎧裝熱電偶，參考標準JB/T 7951—2004《測定工業淬火油冷卻性能的鎳合金探頭實驗方法》，設定修正系數1.205、工藝優化后淬火溫度設定為860℃，獲得冷卻能力曲線圖。

（2）硬度試驗 "采用HBE-1型液壓布氏快打硬度計進行硬度檢測，選用直徑10mm硬質合金鋼球壓頭，載荷控制在35 000N，加載控制試驗力保持時間3s，壓痕中心至試件邊緣的距離應不小于壓痕直徑的2.5倍，兩壓痕中心相鄰距離應不小于壓痕直徑的4倍。每個試樣檢測3個硬度值，取平均值。

（3）顯微組織觀察和XRD分析 "采用GX40型顯微鏡觀察顯微組織。顯微試樣的制備：GB4250C龍門臥式帶鋸床取樣、磨樣、拋光、浸蝕、酒精棉球清洗、吹風機烘干及組織觀察。用顯微鏡采集系統觀察至清晰的組織（500×）并照相分析。浸蝕劑：體積分數為5%的硝酸酒精；浸蝕時間15～25s。

XRD分析采用德國布魯克公司的D8 Advance型X射線衍射儀，配有多導管加準直管的光路系統和LynxEye一維列陣探測器，采用Co靶Kα輻射，電壓35kV，電流40mA。XRD分析采用耦合掃描模式。

（4）拉伸性能試驗 "拉伸性能試驗在WDW-300e微機控制電子式萬能試驗機上進行，試樣尺寸根據GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備，試樣檢測抗拉強度Rm。

試驗與結果分析

1.冷卻特性分析

淬火冷卻時長設定60 s，淬火油溫度控制在50℃，共分為兩組。第一組為淬火工藝優化前（以下簡稱改進前）的冷卻性能曲線，淬火起始溫度按照原工藝設定為840℃。第二組為淬火工藝優化后（以下簡稱改進后）的冷卻性能曲線，淬火起始溫度設定為860℃，如圖3所示。

圖3 改進前后的淬火油冷卻曲線對比

冷卻系統容積約26.4m3，改進前，使用LS1206B型旋槳式流速儀測定，當內外循環系完全開啟狀態時淬火油流速在0.3～0.5m/s。改進后，相同客觀條件下淬火油流速在0.6～0.9m/s。改進后冷卻系統內的淬火油流動速度明顯加快，說明冷卻系統的淬火冷卻能力得到提升，為工件獲得更好的淬火質量提供了保障。

圖3中，改進前的淬火油冷卻曲線表示為紅色，改進后的淬火油冷卻曲線表示為藍色。每組試驗均得到兩條曲線，左側線為冷卻溫度變化曲線、右側線為冷速變化曲線，兩條曲線的組合能夠直觀準確地反饋出不同冷卻階段的冷卻能力變化。最佳的淬火冷卻模式是短蒸汽膜時間、高沸騰階段冷卻速率、緩對流階段冷卻速率[4]。冷卻溫度變化曲線應表現為開始短時平緩，隨后斜率激增，進入快速下降，最后進入曲線漸緩直至趨于穩定平行；而冷卻速度變化曲線也隨之呈現速度由慢逐漸增快直至達到峰值冷卻速度（即最大冷卻速度）后，逐漸減慢至0℃/s。也就是說，冷卻溫度變化曲線表現越靠左、冷卻速度變化曲線表現越靠右，證明淬火介質的冷卻能力越強。經改進前和改進后的冷卻曲線對比，無論冷卻溫度變化曲線還是最大冷速變化曲線，改進后的淬火油冷卻能力均優于改進前，說明改進對于提升淬火油冷卻能力的表現效果顯著。

2.硬度分析

硬度試驗包括淬火硬度檢測和回火硬度檢測，共分為兩組，每組包括淬火后狀態試樣20件、回火后狀態試樣20件。第一組為改進前淬火硬度及回火硬度的壓痕直徑數據，第二組為改進后淬火硬度及回火硬度的壓痕直徑數據（見圖4、圖5及表2）。

1）對淬火硬度壓痕直徑數據分析，改進后的均值和中位數值均小于改進前數值，說明改進后的淬火硬度水平整體得到提升；同時，改進后的標準差更小，說明淬火硬度離散和波動變小，淬火質量更均勻，淬火過程更穩定。

2）對回火硬度壓痕直徑數據分析，改進后的均值和中位數均小于改進前數值，標準差同樣更小，說明在相同回火條件下，由于淬火質量得到提升，調質后的回火質量也隨之得到改善，回火硬度整體分布由原處于工藝下線區間甚至部分超出工藝要求，優化至均處于工藝中上線區間分布。根據原始數據，改進前試樣的淬火硬度工藝合格率90%、回火硬度工藝合格率95%；改進后試樣的淬火及回火硬度工藝合格率均達到100%，同時，淬火硬度值提高約3.5%、回火硬度值提高約2.9%，產品質量提升明顯。

3.顯微組織觀察和XRD分析

（1）顯微組織觀察 "分為淬火顯微組織和回火顯微組織。

1）淬火顯微組織，淬火后距離試樣邊部10 mm處淬火組織形貌如圖6所示，分別為改進前和改進后的顯微鏡500×下的顯微組織。以足夠快的冷卻速度使奧氏體過冷到低溫范圍內的一定溫度以下將轉變為馬氏體，一般中高碳鋼馬氏體相變時沒有出現碳的擴散，42CrMo鋼淬火后應具有條狀馬氏體和片層狀馬氏體的混合組織。

經分析，改進前和改進后的汽車橫拉桿臂淬火后均可得到條狀馬氏體和塊狀馬氏體的混合組織，其中改進后的馬氏體含量明顯高于改進前的馬氏體含量，說明改進后的淬火冷卻能力更強，有利于獲得過冷度更大的奧氏體；快速冷卻至馬氏體轉變溫度區線，特別在鋼的鼻部溫度區間冷速較快，有效避免過冷奧氏體的分解，因此，得到的淬火組織馬氏體含量更高，更有利于高溫回火后得到理想狀態的回火索氏體組織和回火硬度值。

2）回火顯微組織，回火后距離試樣邊部10mm處回火組織形貌如圖7所示，分別為改進前和改進后的顯微鏡500×下的顯微組織。經分析，改進前的試樣回火顯微組織中存在較多塊條狀鐵素體且部分聚集，說明淬火冷卻過程不均勻一致，淬火質量不佳，導致較多條塊狀鐵素體存在，根據GB/T 13320—2007《鋼質模鍛件顯微組織評級圖及評定方法》判斷，顯微4～5級；改進后的試樣回火顯微組織中球狀滲碳體更均勻細化，鐵素體含量更低，整體均勻性更好，判斷顯微組織3級。通過改進，橫拉桿臂在淬火冷卻過程中奧氏體化程度更高，有效避免殘留奧氏體以及異常組織的產生，淬火質量水平更好，在相同640℃高溫回火后，得到的回火索氏體組織更均勻、細密，顯微組織等級更高，產品內在質量得到明顯提升。

（2）回火XRD分析 "Ｘ射線衍射（XRD）是進行物相分析的常用手段，其原理決定了主要用于物相的定性鑒別[5]。共分為兩組，每組抽取1件試樣進行回火XRD分析，如圖8所示，分別為改進前和改進后的X射線衍射圖譜。

經分析，改進前和改進后對的X射線衍射圖譜中顯示全部為鐵素體峰，沒有碳化物峰。改造前和改造后的試樣經過油淬冷卻及高溫回火后得到的顯微組織主要為回火索氏體，無明顯其他異常組織存在。由于回火索氏體中碳化物含量較少，XRD衍射峰并沒有表示出來，也印證了顯微組織觀察的準確性。

4.拉伸性能分析

共分為兩組，每組抽取2件試樣進行拉伸性能試驗。第一組為改進前抗拉強度數據，第二組為改進后抗拉強度數據，見表3。

抗拉強度是材料經由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡時的臨界值，簡化理解為試樣在靜拉伸條件下的最大承載能力[6]。抗拉強度即表征材料的最大均勻塑性變形抗力，相對來講，在一定合理區間內，抗拉強度值增大，則表示材料塑變抗力變大，其使用安全性得到提高。

經分析，改進前和改進后的試樣得到的抗拉強度值雖然均能符合工藝要求，但改進前的抗拉強度值處于工藝要求中下線區間，而改進后的抗拉強度值明顯提高，平均提高約6.2%，說明通過改進，橫拉桿臂的力學性能指標得到了顯著改善，產品內在質量更佳，其使用的安全性和可靠性更好。

結語

改進后，淬火油在實際生產中的淬火冷卻性能得到明顯提升，橫拉桿臂的淬火冷卻過程也更均勻穩定；改進后，各項重要產品性能指標均得到極大改善和提升，其中：回火顯微組織等級由4～5級提高到3級，淬火硬度值提高約3.5%，回火硬度值提高約2.9%，抗拉強度值提高約6.2%；改進后，橫拉桿臂最終產品不合格比例降低約5%，證明熱處理工藝優化對提升汽車橫拉桿臂的內在質量效果顯著。

參考文獻：

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