摘要：對汽車橫拉桿臂的熱處理工藝優(yōu)化，主要提高淬火溫度至860℃以上，并對網(wǎng)帶式熱處理連續(xù)線的淬火冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)提升淬火油在冷卻系統(tǒng)中的淬火冷卻性能，通過介質(zhì)冷卻特性、顯微組織、硬度及拉伸性能等試驗(yàn)，結(jié)合XRD分析，研究淬火工藝優(yōu)化對汽車橫拉桿臂內(nèi)在質(zhì)量提升的影響和效果。經(jīng)研究，改進(jìn)后，淬火油在實(shí)際生產(chǎn)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(wěn)定；調(diào)質(zhì)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(qiáng)度值提高約6.2%，最終產(chǎn)品的不合格比例降低5%，證明淬火工藝優(yōu)化對提高和改善汽車橫拉桿臂的內(nèi)在組織和性能效果顯著。

關(guān)鍵詞：熱處理工藝；橫拉桿臂；內(nèi)在質(zhì)量

橫拉桿臂安裝在汽車橫拉桿端部，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部分，作為汽車結(jié)構(gòu)保安件，橫拉桿臂在工作過程中受力情況復(fù)雜，因此，其使用安全性要求非常嚴(yán)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(zhì)量，行業(yè)內(nèi)常選用優(yōu)質(zhì)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(jìn)行批量生產(chǎn)。其中，熱處理作為關(guān)鍵生產(chǎn)工藝之一，對橫拉桿臂獲得高性能、高質(zhì)量起到重要的作用[1]。常采用調(diào)質(zhì)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(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)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(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量、降低不合格率的重要因素[3]。

國內(nèi)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(yōu)質(zhì)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(diào)質(zhì)－探傷－機(jī)加工的工藝模式進(jìn)行量產(chǎn)制造。在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)質(zhì)后的汽車橫拉桿臂出現(xiàn)顯微組織等級低、拉伸強(qiáng)度值低、回火硬度值無法滿足工藝要求等質(zhì)量問題。經(jīng)初步分析，主要判斷為淬火冷卻過程不均勻、不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不佳。因此，本文主要通過介質(zhì)冷卻特性、顯微組織、硬度及拉伸性能等試驗(yàn)，結(jié)合XRD衍射圖譜分析，研究淬火工藝的優(yōu)化對汽車橫拉桿臂組織與性能的影響，從而尋求提升產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量、降低不合格品比例的熱處理技術(shù)路線。

試驗(yàn)材料與方法

1.試驗(yàn)材料

采用42CrMo鋼、φ60mm圓鋼料，化學(xué)成分見表1。

2.試驗(yàn)方法

選用網(wǎng)帶式熱處理連續(xù)爐生產(chǎn)線，自動化程度高、控溫精準(zhǔn)，可完整記錄生產(chǎn)工藝過程，主要包括淬火爐、冷卻系統(tǒng)、回火爐及回火冷卻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)熱處理產(chǎn)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(wěn)定的碳化物，從而延緩溶入奧氏體，同時(shí)考慮擴(kuò)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(dāng)提高，從而充分發(fā)揮合金化作用，因此，淬火溫度選擇應(yīng)在AC3+（30～50）℃，以保證鐵素體能夠全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，獲得全部細(xì)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(biāo)要求（調(diào)質(zhì)后顯微組織1～4級，抗拉強(qiáng)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(jié)合實(shí)際生產(chǎn)資源，橫拉桿臂的調(diào)質(zhì)工藝為：淬火溫度860℃，淬火120min（包括加熱和保溫時(shí)間），回火溫度640℃，回火150min（包括加熱和保溫時(shí)間），選用快速淬火油作為淬火介質(zhì)，熱處理工藝路線如圖2所示。

對于熱處理工藝優(yōu)化，主要包括淬火溫度提高和淬火冷卻系統(tǒng)改進(jìn)。其中：

1）淬火溫度由840℃提高到860℃。適當(dāng)?shù)靥岣叽慊饻囟?，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(xì)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(wěn)定性，從而提升產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量。

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

（1）冷卻特性試驗(yàn) "采用KHR-A型便攜式冷卻介質(zhì)性能檢測儀，其主要技術(shù)參數(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)JB/T 7951—2004《測定工業(yè)淬火油冷卻性能的鎳合金探頭實(shí)驗(yàn)方法》，設(shè)定修正系數(shù)1.205、工藝優(yōu)化后淬火溫度設(shè)定為860℃，獲得冷卻能力曲線圖。

（2）硬度試驗(yàn) "采用HBE-1型液壓布氏快打硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，選用直徑10mm硬質(zhì)合金鋼球壓頭，載荷控制在35 000N，加載控制試驗(yàn)力保持時(shí)間3s，壓痕中心至試件邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑的2.5倍，兩壓痕中心相鄰距離應(yīng)不小于壓痕直徑的4倍。每個(gè)試樣檢測3個(gè)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(fēng)機(jī)烘干及組織觀察。用顯微鏡采集系統(tǒng)觀察至清晰的組織（500×）并照相分析。浸蝕劑：體積分?jǐn)?shù)為5%的硝酸酒精；浸蝕時(shí)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(dǎo)管加準(zhǔn)直管的光路系統(tǒng)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(yàn) "拉伸性能試驗(yàn)在WDW-300e微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸根據(jù)GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備，試樣檢測抗拉強(qiáng)度Rm。

試驗(yàn)與結(jié)果分析

1.冷卻特性分析

淬火冷卻時(shí)長設(shè)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(yōu)化前（以下簡稱改進(jìn)前）的冷卻性能曲線，淬火起始溫度按照原工藝設(shè)定為840℃。第二組為淬火工藝優(yōu)化后（以下簡稱改進(jìn)后）的冷卻性能曲線，淬火起始溫度設(shè)定為860℃，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前后的淬火油冷卻曲線對比

冷卻系統(tǒng)容積約26.4m3，改進(jìn)前，使用LS1206B型旋槳式流速儀測定，當(dāng)內(nèi)外循環(huán)系完全開啟狀態(tài)時(shí)淬火油流速在0.3～0.5m/s。改進(jìn)后，相同客觀條件下淬火油流速在0.6～0.9m/s。改進(jìn)后冷卻系統(tǒng)內(nèi)的淬火油流動速度明顯加快，說明冷卻系統(tǒng)的淬火冷卻能力得到提升，為工件獲得更好的淬火質(zhì)量提供了保障。

圖3中，改進(jìn)前的淬火油冷卻曲線表示為紅色，改進(jìn)后的淬火油冷卻曲線表示為藍(lán)色。每組試驗(yàn)均得到兩條曲線，左側(cè)線為冷卻溫度變化曲線、右側(cè)線為冷速變化曲線，兩條曲線的組合能夠直觀準(zhǔn)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(shí)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(yīng)表現(xiàn)為開始短時(shí)平緩，隨后斜率激增，進(jìn)入快速下降，最后進(jìn)入曲線漸緩直至趨于穩(wěn)定平行；而冷卻速度變化曲線也隨之呈現(xiàn)速度由慢逐漸增快直至達(dá)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(xiàn)越靠左、冷卻速度變化曲線表現(xiàn)越靠右，證明淬火介質(zhì)的冷卻能力越強(qiáng)。經(jīng)改進(jìn)前和改進(jìn)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(jìn)后的淬火油冷卻能力均優(yōu)于改進(jìn)前，說明改進(jìn)對于提升淬火油冷卻能力的表現(xiàn)效果顯著。

2.硬度分析

硬度試驗(yàn)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(tài)試樣20件、回火后狀態(tài)試樣20件。第一組為改進(jìn)前淬火硬度及回火硬度的壓痕直徑數(shù)據(jù)，第二組為改進(jìn)后淬火硬度及回火硬度的壓痕直徑數(shù)據(jù)（見圖4、圖5及表2）。

1）對淬火硬度壓痕直徑數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)后的均值和中位數(shù)值均小于改進(jìn)前數(shù)值，說明改進(jìn)后的淬火硬度水平整體得到提升；同時(shí)，改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)差更小，說明淬火硬度離散和波動變小，淬火質(zhì)量更均勻，淬火過程更穩(wěn)定。

2）對回火硬度壓痕直徑數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)后的均值和中位數(shù)均小于改進(jìn)前數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)差同樣更小，說明在相同回火條件下，由于淬火質(zhì)量得到提升，調(diào)質(zhì)后的回火質(zhì)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(qū)間甚至部分超出工藝要求，優(yōu)化至均處于工藝中上線區(qū)間分布。根據(jù)原始數(shù)據(jù)，改進(jìn)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(jìn)后試樣的淬火及回火硬度工藝合格率均達(dá)到100%，同時(shí)，淬火硬度值提高約3.5%、回火硬度值提高約2.9%，產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)前和改進(jìn)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(nèi)的一定溫度以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，一般中高碳鋼馬氏體相變時(shí)沒有出現(xiàn)碳的擴(kuò)散，42CrMo鋼淬火后應(yīng)具有條狀馬氏體和片層狀馬氏體的混合組織。

經(jīng)分析，改進(jìn)前和改進(jìn)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(jìn)后的馬氏體含量明顯高于改進(jìn)前的馬氏體含量，說明改進(jìn)后的淬火冷卻能力更強(qiáng)，有利于獲得過冷度更大的奧氏體；快速冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)線，特別在鋼的鼻部溫度區(qū)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(tài)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(jìn)前和改進(jìn)后的顯微鏡500×下的顯微組織。經(jīng)分析，改進(jìn)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(zhì)量不佳，導(dǎo)致較多條塊狀鐵素體存在，根據(jù)GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件顯微組織評級圖及評定方法》判斷，顯微4～5級；改進(jìn)后的試樣回火顯微組織中球狀滲碳體更均勻細(xì)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(jìn)，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(chǎn)生，淬火質(zhì)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(xì)密，顯微組織等級更高，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量得到明顯提升。

（2）回火XRD分析 "Ｘ射線衍射（XRD）是進(jìn)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(jìn)行回火XRD分析，如圖8所示，分別為改進(jìn)前和改進(jìn)后的X射線衍射圖譜。

經(jīng)分析，改進(jìn)前和改進(jìn)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(jīng)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(zhǔn)確性。

4.拉伸性能分析

共分為兩組，每組抽取2件試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。第一組為改進(jìn)前抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，第二組為改進(jìn)后抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，見表3。

抗拉強(qiáng)度是材料經(jīng)由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡時(shí)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(qiáng)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(qū)間內(nèi)，抗拉強(qiáng)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(jīng)分析，改進(jìn)前和改進(jìn)后的試樣得到的抗拉強(qiáng)度值雖然均能符合工藝要求，但改進(jìn)前的抗拉強(qiáng)度值處于工藝要求中下線區(qū)間，而改進(jìn)后的抗拉強(qiáng)度值明顯提高，平均提高約6.2%，說明通過改進(jìn)，橫拉桿臂的力學(xué)性能指標(biāo)得到了顯著改善，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量更佳，其使用的安全性和可靠性更好。

結(jié)語

改進(jìn)后，淬火油在實(shí)際生產(chǎn)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(wěn)定；改進(jìn)后，各項(xiàng)重要產(chǎn)品性能指標(biāo)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(qiáng)度值提高約6.2%；改進(jìn)后，橫拉桿臂最終產(chǎn)品不合格比例降低約5%，證明熱處理工藝優(yōu)化對提升汽車橫拉桿臂的內(nèi)在質(zhì)量效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆君杰，王強(qiáng). 汽車用新型低合金高強(qiáng)度鋼及其熱處理工藝研究[J]. 熱加工工藝，2018，47（12）：165-168.

[2] 李冠楠，商志強(qiáng)，李紅俊. 調(diào)質(zhì)工藝對汽車大梁鋼700L組織性能的影響[J]. 中國冶金，2022，32（4）：41-46，53.

[3] 王廣川. 大型鍛件淬火開裂及控制[D]. 山東：山東大學(xué)，2021.

[4] 董成通，吳博雅，馮思遠(yuǎn)，等. 冷卻介質(zhì)對40Cr鋼汽車前軸淬火過程組織演變及畸變行為的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2022，43（9）：12-130.

[5] V.P. Gulyaev，P.P. Petrov，Ksenia V. Stepanova. Changes in the characteristics of the profiles of X-Ray diffraction lines of structural steels in the elastic stress field [J]. Materials Science Forum，2020，5952：992-997.

[6] 樊偉，馮運(yùn)莉，王宇辰，等. Fe-0.4C-10Mn-4Al系TRIP鋼的顯微組織與拉伸性能分析[J]. 熱加工工藝，2022，51（18）：63-67.