张吴忌， 刘 磊， 刘凯旋， 刘 哲，沈佳杰， 汪 湾

(1.南京工程学院材料工程学院， 江苏 南京 211167；2. 江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室， 江苏 南京 211167)

引 言

汽车前悬架下控制臂，即三角臂(Arm triangle)，是用来传递横向和纵向的载荷，将作用在车轮上的各种力传递给车身，控制车轮与车身的相对运动，受拉伸应力、弯曲应力和扭转应力等，因此，控制臂应有足够的强度、韧性和使用寿命。传统的三角臂使用以下3种材料制造：①冲压钢板；②铝锻件；③钢锻件。冲压钢板和钢锻件虽然能满足性能要求，但其加工工序繁琐，性能控制不稳定，且强度较低，只能满足普通轿车的使用；铝锻件较轻，可以实现汽车轻量化，但其价格较贵，成本高，且抗拉强度在450 MPa[1]以下，只适合用在高端轿车上。非调质钢控制臂，不仅简化了加工工序，而且其性能较高，抗拉强度达到850 MPa以上，同时具有足够的韧性。近年来，控制臂已逐渐广泛采用非调质钢，例如江铃汽车公司的控制臂采用38MnVS铁素体—珠光体型非调质钢[2]，不仅强度和力学性能有很大提高，其制造成本也降低了5%～10%。

非调质钢锻件的强韧化主要手段是采用控锻控冷技术(TMCP)[3]控制组织与性能。为了获得更好的性能，学者们做了很多研究。何沂桂等[4]利用热模拟试验机，将铌-钒非调质钢在1000 ℃变形20%，随后冷却至850 ℃变形15%以上，结果显示这种锻造方法能够细化显微组织，晶粒尺寸明显减小，同时组织中的铁素体含量也略有增加。苏钢集团程勇[5]等和钢铁研究总院姚春发等[6]研究终锻温度对Nb-V-Ti复合非调质钢组织及性能的影响，均发现采用再结晶区锻造和未再结晶区锻造两种方式组合，不仅可以细化铁素体晶粒，而且还会使珠光体片碎化及部分球化，从而提高Nb-V-Ti非调质钢的冲击韧性。华小珍等[7]研究不同终锻温度对A800F非调质钢组织与性能的影响，发现将终锻温度控制在950～1050 ℃范围内，强度和韧性达到最佳配合状态。通过控冷也可改善控制臂组织和性能，根据控制原理的不同，可将控制冷却分为3个阶段：相变前奥氏体区控冷、相变过程中控冷和相变后控冷。针对第一、二阶段的控冷，学者们做了许多研究工作。Zhao等[8]研究38MnVS非调质钢连杆，采用锻后快速冷却(3.5 ℃/s)至550 ℃随后保温缓冷的方式，获得较多细小条块状先共析晶内铁素体，冲击韧性提高近4倍。陈思联等[9]利用热模拟试验机研究锻后控冷对胀断连杆用非调质钢37MnSiVS微观组织及硬度的影响，发现锻后快冷至600 ℃左右等温处理10 min，大量细小弥散的V(C，N)粒子析出沉淀，可使试验钢的硬度达到395HV，相当于强度水平1300 MPa。

1 试验材料与方法

试验所用材料为Ф48 mm 的30MnVS热轧圆钢，其主要化学成分为(%)：0.31C，0.60Si，1.52Mn，0.08S，0.21Cr，0.11V，0.05Cu。

采用400T辊锻机和630T平锻机对控制臂进行辊锻和局部锻造，将圆棒料感应加热至1200±20 ℃，保温160 s后开始锻造，辊锻制坯温度为1150～1200 ℃，弯形温度为1100～1150 ℃，预锻成形温度为1050～1100 ℃，终锻成形温度为900～1000 ℃，开始冷却温度为850～950 ℃，冷却分别采用空冷和风冷方式，冷却速度约为：0.9 ℃/s和1.2 ℃/s，如图1所示。

图1 30MnVS控制臂生产工艺及控锻控冷示意图

图2 控制臂取样位置示意图

将锻造后的试样按照如图2所示标注截取，位置1处的变形量为26%，位置2处的变形量为8%，位置3处取拉伸试样，位置4处取冲击试样。制备金相试样，经过研磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样，试样清洗吹干后，在ZEISS金相显微镜下观察组织形貌；在数显显微硬度计上测取位置1和2处试样的维氏硬度(HV10)。力学性能试验，采用CS400电子万能试验机进行拉伸试验，用JBW-300H仪器化冲击试验机进行冲击试验，记录试验数据。

2 试验结果

2.1 显微组织

两种锻造工艺生产控制臂的显微组织如图3所示。图3(a), (b)分别为空冷控制臂位置1和2处的显微组织，图3(c), (d)分别为风冷控制臂位置1和2处的显微组织。可见，空冷和风冷的控制臂组织均为铁素体+珠光体组织。

图3 两种锻造工艺控制臂的显微组织

2.2 控制臂力学性能

硬度是评价材料性能的重要指标，控制臂位置1与2处的维氏硬度如表1所示。在位置3和4处分别取拉伸和冲击试样，其力学性能指标如表2所示，如图4所示是空冷与风冷控制臂的力学性能对比图。

表1 两种锻造工艺控制臂的硬度值

表2 控制臂力学性能

图4 空冷与风冷控制臂的力学性能对比

3 分析与讨论

3.1 变形量对显微组织的影响

图2中位置1处的变形量为26%，位置2处的变形量为8%。对比图3(a)和(b)，(c)和(d)可知，变形量增大，显微组织明显细化，单位体积内铁素体的百分含量增多，珠光体百分含量减少。这是因为，在控制锻造阶段，8%的变形量较小，造成晶内畸变也较少，不能为相转变过程中铁素体形核提供更多位置，铁素体只能沿畸变能较高的奥氏体晶界析出，因此，铁素体含量较少；另外，8%的变形量没有达到形变奥氏体发生再结晶的临界应变量，没有足够的驱动力促使相变前的奥氏体发生动态再结晶，因此晶粒得不到细化。变形量为26%时，变形造成的畸变明显增多，发生了动态再结晶，晶粒细化，单位体积内晶界数量增加，为铁素体形核提供大量的位置，形成细小的铁素体。同时，变形量增大，形变奥氏体内产生大量的变形带与位错等高畸变能区，为诱导铁素体析出提供更多位置，形成晶内铁素体，从而细化晶粒。

3.2 冷却速度对显微组织的影响

对比位置1处空冷和风冷的显微组织，风冷的晶粒更加细小，铁素体平均尺寸减小，铁素体百分含量也增多，铁素体更加细小分布，晶内铁素体将珠光体分割成更加细小的单元。这是由于冷却速度增大，在过冷奥氏体中的先共析铁素体的析出被抑制，极少量沿晶网状铁素体析出，当温度继续降低，未相变的过冷奥氏体处于更低的转变温度，此时碳活度降低，不利于珠光体的形核和生长，而过冷奥氏体具有更大的过冷度，能产生足够大的驱动力促使铁素体在奥氏体晶内形核，形核率更高，同时低温限制晶界运动能力，铁素体晶粒长大速率降低，从而形成较多细小的晶内铁素体颗粒，极大改善了锻件的韧性。观察位置2处空冷和风冷的显微组织，可见风冷的晶粒略细小，铁素体尺寸减小，铁素体百分含量减少，铁素体网较明显，铁素体细薄，但晶内有更多块状晶内铁素体将珠光体分割。这主要是因为冷却速度增大，沿晶界析出的先共析铁素体没有足够时间形核与长大，因此铁素体含量下降且尺寸较小。

3.3 力学性能分析

冷却速度与变形量对硬度的影响如表1所示。由表1可知，同一变形量，风冷的控制臂硬度比空冷大；相同冷却方式，变形量越大，硬度越高。分析显微组织可知，26%变形量处，风冷的铁素体含量虽有增多，但晶粒得到细化，珠光体片层间距减小，再加上V(C，N)等粒子的沉淀强化，导致硬度增大；8%变形量处风冷的硬度的增加还来自于珠光体含量的增加。相同冷却方式变形量大的地方硬度高的原因主要是变形量的增加，使得细晶强化效果显著提升，从而提高硬度。

在位置3和位置4处分别取拉伸和冲击试样，力学性能参数如表2所示。可见，风冷的所有力学性能指标均优于空冷。空冷的控制臂抗拉强度为865 MPa，风冷的抗拉强度达到890 MPa。两种冷却方式的断面收缩率相差较大，风冷高于空冷，而冲击吸收功相差不大，风冷略高于空冷，说明锻后控冷方式能在提高强度的同时，保持良好的塑性、韧性。风冷对材料强度提高的机理与硬度相同，对塑性、韧性的提高则是因为：风冷使得细晶强化明显，晶内铁素体含量增多，并且珠光体片层间距也减小，铁素体可以阻止断裂时裂纹的扩展，使裂纹扩展消耗更高的能量，从而提高塑韧性。

4 结束语

增大冷却速度可提高30MnVS非调质控制臂的强度与硬度，同时保持良好的塑韧性，主要得益于晶内铁素体的析出，显微组织细化，使裂纹扩展需要消耗较多的能量。

(1)在相同冷却速度下，变形量增加，铁素体含量增加，铁素体组织更加细小，有利于提高塑韧性。

(2)通过控锻控冷工艺试锻出30MnVS非调质钢控制臂，该控制臂的显微组织为铁素体+珠光体，没有贝氏体组织出现；其关键受力部位的组织、硬度与力学性能均能满足使用要求。