60Si2MnA汽车稳定杆预紧断裂分析

闫志波， 陈红卫, 贺会敏

(1.石家庄职业技术学院 机电工程学院，河北 石家庄 050081； 2.河钢集团钢研总院 工艺研究所，河北 石家庄 050023)

汽车横向稳定杆又称防倾杆，是汽车悬架中的一种辅助弹性元件，它可提高悬架的侧倾角刚度，从而改善汽车的行驶稳定性和平顺性，防止发生过大的侧倾.横向稳定杆是用弹簧钢制成的扭杆弹簧，形状一般呈“U”形，横置在汽车前后悬架附近，中部与车架铰接，两端分别安装在左右悬架上.汽车在上下颠簸时，若左右悬架变形相同，横向稳定杆不起作用，当两侧悬架跳动不一致，车身出现侧倾时，稳定杆扭转变形，变形产生的回弹力成为侧倾的阻力，从而起到稳定车身形态的作用.同样，汽车经过弯道时，在离心力作用下车身侧倾，导致内侧轮和外侧轮的悬挂分别发生拉伸和压缩，从而造成稳定杆杆身扭转，杆身扭转产生的反弹力起到抑制车身侧倾的作用.所以稳定杆是汽车悬挂系统中的重要安全零件.

1 稳定杆材料加工的工艺原理

在国内，稳定杆的常用材料一般为60Si2MnA，55Cr3,50CrVA等弹簧钢，主要工艺过程为：端部成型—整体成型—淬火—回火—表面强化—表面处理.稳定杆一般整体呈“U”形三维结构，需要三维成型机进行加热弯曲成形，端部与悬架联接，一般为扁头状，扁平部位冲孔用于安装，端头通常采用热模锻成型[1].稳定杆端部为螺纹，安装时直接用螺母紧固，外螺纹一般采用滚丝机滚压成型，滚丝是一种冷成型工艺，滚丝前需要对端部进行车削去皮，防止出现表面缺陷.

滚丝是一种无切削成型工艺，加工时产生的径向压应力能提高工件的强度和表面硬度，是一种高效、节能的工艺.滚压螺纹时，螺纹的形成为金属塑性变形过程，在金属纤维不被破坏的前提下，金属体积塑性位移，达到无铁屑成型.但是在滚丝过程中，伴随着塑性变形，金属晶粒产生滑移、剪切变形，同时出现晶格歪曲、双晶作用、晶粒被粉碎等现象，这种现象会给金属晶粒进一步滑移造成困难.要想金属晶粒继续滑移，使金属继续塑性变形，就需要增加外力，反映在金属的机械性能上，就是应该进一步增加其强度和硬度.滚压工艺让金属材质更加致密的同时也产生冷作硬化层和残余应力[2].

2 稳定杆材料检测分析

2.1 样品

某汽车零部件制造企业使用φ=25 mm的60Si2MnA生产横向稳定杆，稳定杆加工过程为：下料—端头粗车—精车—冷成型—淬火(端头滚丝除外)—回火—端头压弯—校正—抛丸—喷涂.在装配过程中，预紧833 N时稳定杆端头滚丝部位断裂.

2.2 检测分析

根据实际情况，833 N远未达到60Si2MnA的屈服极限.稳定杆端头滚丝处预紧时，主要受轴向载荷作用，断裂后断口形状较粗糙.试验从化学成分、断口形貌、金相组织和硬度4个方面进行分析检测，找出样品产生断裂的主要原因.

(1)化学成分

在该稳定杆上取样，用光谱法分析样品的化学成分，与60Si2MnA进行比对，测试结果(质量百分数)见表1.

检测结果表明，样品化学成分符合60Si2MnA成分要求.

(2)断口形貌

扫描电镜下观察断口，裂纹源位于一侧螺纹沿圆周约6 mm区域，呈非点状裂纹源，断口上未发现非金属夹杂物；裂纹源部位130 μm内断裂微观机制为准解理+小韧窝，正常断裂部位为解理断裂，断口未发现锈蚀.不同标尺下断口裂纹源形貌见图1.

表1 样品化学成分及测试结果 /wt%

注：—表示无要求或未测试.

(a) 3 mm (b) 1 mm

(c) 300 μm (d) 100 μm

(3)金相组织

在断口部位取样磨光，经4%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下检验金相组织，在裂纹源对应部位存在表面硬化层，深度约100 μm，见图2.在非裂纹源部位取样检验，无明显硬化层，见图3.裂纹源和非裂纹源部位检验时均未发现非金属夹杂物.

(a) 100X (b) 500X

图3 500X下非裂纹源部位金相组织

(4)硬度

在断口开裂附近取样，测试样品的布氏硬度，测试结果见表2.

表2 样品布氏硬度测试 N/mm2

由表2可知，硬度符合要求.

2.3 检测结果

经检测，样品的化学成分和硬度均符合60Si2MnA要求；断口形貌分析裂纹源为线性裂纹源，断口上未发现非金属夹杂物；金相检验表明，裂纹源金相组织存在表面硬化层，非裂纹源部位无明显硬化层.根据金相检验结果，滚丝部位表面组织有所不同，易造成应力集中，推测预紧断裂与滚丝处表面硬化层有关.

3 稳定杆材料表面层组织性能分析

一方面稳定杆端部滚丝时由于塑性变形而产生加工硬化，其优点是螺纹部分的金属纤维没有被切断，螺纹表面产生硬化层，组织更加致密，可以提高表面强度和硬度；缺点是稳定杆表面组织不同，强度、硬度和塑型也不同，致使表面硬化层不均匀，表面组织的塑性和韧性降低，甚至出现微裂纹.另一方面在滚丝过程中存在残余应力，在螺纹牙底易产生应力集中，导致稳定杆预紧时产生裂纹.

(1)硬化与软化

滚丝过程中，稳定杆塑性变形程度大，速度快，被加工材料表面除受力变形产生加工硬化外，还受到与滚丝轮摩擦产生的热的影响，在一定条件下使金属失去加工硬化中得到的物理力学性能，导致金属局部软化，其最后的硬化程度取决于受力产生的硬化速度与热影响导致的软化速度的比率.变形速度增大，温度升高，在冷却不均匀时，局部会产生软化[3].经检测，裂纹源硬化层深度100 μm，说明硬化程度较大，而其他部位无明显硬化层，说明硬化和软化同时存在.

(2)残余应力

表层残余应力产生的原因有三方面：一是由于滚丝过程中材料变形量大，导致冷态塑性变形产生残余应力；二是滚丝轮摩擦产生的热量大，导致热态塑性变形而产生残余应力；三是滚丝过程中单位面积产生的热量比一般切削加工方法多，易使工件表面的金相组织发生变化，导致金属表面的强度和硬度下降，产生残余应力甚至微裂纹[4].

4 稳定杆预紧断裂改进措施

根据检测结果和以上分析得出结论：螺纹牙底个别部位的硬化层和牙底表面残余应力是稳定杆端部预紧断裂的主要原因.所以在材料加工过程中，应重点完善滚丝工艺过程，改善稳定杆端部滚丝部位断裂问题，一是适当加大滚丝轮齿顶圆弧，平滑过渡，减小应力集中程度[5]；二是采用合理的滚压工艺，严格控制滚压速度；三是改善冷却环境，形成有效的保护膜，使工件均匀冷却；四是采用刚性好、精度高的设备，防止螺纹表面出现皱纹、折叠等缺陷，使螺纹表面组织均匀致密，减小表面粗糙度.