锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

日期:2018-06-13来源:

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汽车转向节的功能是传递并承受汽车悬架系统载荷,支承并带动轮毂绕主销转动而使汽车转向。转向节是汽车转向系统中的重要安全零件,影响汽车行驶稳定性、安全性及转向灵敏性,要求其具有高强度和高疲劳寿命。锻造转向节常用40Cr 材料,一般调质硬度为250 ~ 300HB。为进一步提高产品疲劳强度和疲劳寿命,轴类转向节技术要求中常有轴承及轴颈段采取中频淬火工艺,要求表面硬度50 ~ 60HRC,淬硬深度2 ~ 5mm。本文主要研究轴类转向节发生断裂的原因及改进措施。

转向节断裂的主要形式

轴类转向节主要应用于卡车、客车、MPV、SUV 等汽车,产品台架试验及市场质量反馈表明轴部断裂是主要质量风险。主要表现形式分四类:

⑴材料及锻造毛坯缺陷。如材料带来夹杂、折叠、裂纹等缺陷,锻造过程产生的过热、折叠、裂纹,锻后余热淬火中工件温度不均、入油温度过高而产生裂纹等。

⑵中频淬火质量缺陷。如表面淬火硬度过高或过低,淬硬层深度范围超差,中频感应加热出现过烧,淬火或回火过程出现裂纹等。

⑶轮毂轴承失效。如轴承装配过紧、润滑不良,汽车行走中轴承发热或轴承破碎,导致转向节轴颈烧损、断裂。

⑷交通事故或严重超载。强大的冲击载荷引起强度断裂。

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图1 转向节轴颈断裂FMEA 表

结合质量管理工具FMEA 对转向节断裂主要失效模式及影响进行分析。从图1 看出,锻造毛坯缺陷、中频淬火缺陷和严重超载或交通事故冲击载荷,风险指数(RPN)较高,必须从产品开发和制造过程高度关注和认真规划。

关键工艺分析与控制措施

依据产品技术要求和FMEA 分析结果,分别对转向节锻造毛坯缺陷,特别是中频淬火失效原因进行分析并提出工艺保证措施。

⑴锻造毛坯缺陷分析及工艺措施。

1) 把好原材料进厂质量检验关,按炉号抽样,采用光谱分析仪、硬度计、电子显微镜分别对材料化学成分、硬度、金相进行检测,防止不合格材料进厂。

2) 锻件调质处理后,100% 硬度检测合格,发现不合格品标识返工处理。

3) 锻件喷丸后,100% 磁粉探伤分选,杜绝裂纹、折叠等缺陷锻件出厂。

⑵中频淬火缺陷分析及工艺措施。

1)常见缺陷分析。

①中频感应加热产生集肤效应,表面温度高,轴颈R 尖角处容易出现过烧,或工件与感应圈接触"打火"。显然是中频感应器与产品结构尺寸不匹配;②表面淬火硬度过高或过低、淬硬层深度不足,主要影响因素有中频工作功率、加热与冷却时间、冷却介质等;③表面裂纹,主要影响因素有表面温度不均导致淬火应力过大、冷却介质冷速过快、回火工艺及淬回火间隔时间过长等。

2)典型转向节断裂分析。

典型案例一:某皮卡车锻造转向节总成在市场出现轴承位置断裂,委托国家权威质检机构对故障件宏微观观察、金相检查、能谱分析、化学成分及硬度检测、分析(图2、图3),认定转向节的断裂性质和原因为"转向节淬火部位硬度偏高(技术要求为50 ~ 55HRC)且深度过大(技术要求的淬硬深度为2 ~ 3mm),导致脆性开裂的敏感性增加,在长时应力作用下,发生了沿晶脆性开裂。转向节安装臂等未中频淬火区硬度约为28 ~ 29HRC,符合技术要求",说明锻件毛坯合格,轴承部位中频淬火过程中加热温度过高或过热导致表面硬度和淬硬层不合格。

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图2 转向节断口宏观图

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图3 断口扩展后期沿晶+ 韧窝特征

典型案例二:某MPV 转向节新品开发阶段台架试验轴颈处断裂,通过对同批样件切片宏观观察、金相及硬度检测、分析(图4、图5),认为断裂原因是"中频淬火后硬度偏低(技术要求为52 ~ 60HRC),尤其是轴颈R 处淬硬深度偏小(技术要求的淬硬深度为3 ~ 5mm),导致轴承位置强度不足,试验中工作应力超过材料强度而出现断裂"。

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图4 台架疲劳试验轴颈断裂

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图5 切片检查轴颈R 处淬硬深度过小

3)工艺保证措施。

转向节轴部中频淬火属特殊特性工序,从以上分析看出,中频淬火工艺过程能力CPk 决定产品性能和质量水平。开发小组对中频淬火设备、工艺、检测等进行全面策划,主要措施有:①选购200 ~ 250kW大功率中频电源,保证加热速度和节拍满足不同尺寸产品要求;②针对不同结构尺寸产品设计制作专用感应圈,以保证转向节轴不同部位加热均衡、淬火温度一致;③选用PAG 水性介质,并针对不同淬火工艺和气侯条件,调整PAG 介质浓度;④每批产品首件采取切片方式检查金相、硬度及淬硬深度,首件合格方可批量生产。图6 为切片检查报告;⑤中频淬火后,产品100% 磁粉探伤检测,防止裂纹缺陷产品出厂;⑥加强工艺培训和设备工装点检,确保中频淬火过程CPk ≥ 1.33。

锻造转向节断裂原因分析与工艺措施

图6 中频淬火切片检查合格报告

结束语

汽车转向节是重要安全件,追求质量零缺陷。在新产品开发阶段运用APQP、FMEA、PPAP、SPC等质量管理工具进行前期策划,对提高企业工艺水平和产品质量,防范市场风险尤为重要。



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