一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法与流程

本发明涉及一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法。

背景技术：

汽车传动轴用稳定杆是汽车悬架系统中的一种辅助性弹性元件，横向稳定杆的功用是防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使车身保持平衡，目的是减少汽车横向侧倾程度和改善平顺性。横向稳定杆实际上是一个横置的扭杆弹簧，在功能上可以看成是一种特殊的弹性元件。当车身只作垂直运动时，两侧悬架变形相同，横向稳定杆不起作用。当汽车转弯时，车身侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆就会发生扭曲，杆身的弹力会阻止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡，起到横向稳定的作用。

以往的稳定杆都是采用实心棒料进行生产，近年来车身轻量化从而达到节能减排的要求日益增强。稳定杆在使用过程中主要承受旋转扭矩，其受力时，距离圆心越远其承受的转动力矩越大，而在圆心处受到的扭转力矩为零，因此将传动轴用实心的棒材用空心的钢管来替代，可以大大减轻车身的重量，但并不会对其使用造成太大的影响。

依据稳定杆的使用条件，稳定杆设计一般需采用较高的强度，同时为了保证其抗扭转疲劳的性能，对产品的尺寸精度，内外表面质量和内外表面的脱碳情况等均需进行控制。因此，稳定杆用钢管产品一般采用小口径焊管加冷加工的方式进行生产。

中国专利cn104395487a公开一种用于空心稳定杆的钢管，该稳定杆设计的空心稳定杆用管拥有较好的疲劳性能，但添加了较多合金元素，产品的制造成本较高，且产品的扭转疲劳性能不能满足更高应力空心稳定杆用管的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法，该稳定杆用钢管的淬火态抗拉强度≥1700mpa，淬火态屈服强度≥1300mpa，淬火态延伸率≥12％，内外表面脱碳层深度均为0，在550mpa应力的条件下，扭转疲劳次数大于120万次。该稳定杆用钢管具有良好的强塑性，且在较大的应力水平下具有高的抗扭转疲劳性能，能够满足大应力条件下稳定杆的使用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种汽车空心稳定杆用钢，其化学成分质量百分比为：c：0.28-0.40％，si：0.05-0.35％，mn：1.05-1.60％，mo：0.1-0.6％，b：0.001-0.006％，al：0.015-0.060％，cr：0.1-0.8％，ti：0.003-0.06％，s≤0.006％，p≤0.015％，o≤0.0030％，且需同时满足如下关系：0.7％≤mo+50b+cr≤1.3％，余量为fe和其他不可避免的杂质。

优选的，所述汽车空心稳定杆用钢成分中c：0.28-0.35％。

优选的，所述汽车空心稳定杆用钢成分中si：0.1-0.3％。

进一步，所述汽车空心稳定杆用钢的微观组织为铁素体加珠光体组织和弥散分布的碳化物组织。

本发明还提供上述汽车空心稳定杆用钢制造的钢管，该汽车空心稳定杆用钢管的化学成分质量百分比为：c：0.28-0.40％，si：0.05-0.35％，mn：1.05-1.60％，mo：0.1-0.6％，b：0.001-0.006％，al：0.015-0.060％，cr：0.1-0.8％，ti：0.003-0.06％，s≤0.006％，p≤0.015％，o≤0.0030％，且上述元素需同时满足如下关系：0.7％≤mo+50b+cr≤1.3％，余量为fe和其他不可避免的杂质。

优选的，所述汽车空心稳定杆用钢管成分中c：0.28-0.35％。

优选的，所述汽车空心稳定杆用钢管成分中si：0.1-0.3％。

优选的，所述汽车空心稳定杆用钢管的壁厚为1.5-8mm。

优选的，所述的空心稳定杆用钢管的外径为15-50mm。

进一步，所述汽车空心稳定杆用钢管的微观组织为铁素体加珠光体组织和弥散分布的碳化物组织，钢管内外表面为光亮状态，内外表面无脱碳组织，焊缝部分的微观组织中金属流向清晰，且焊缝的金属流向不垂直于内外表面。

所述汽车空心稳定杆用钢管的淬火态抗拉强度≥1700mpa，淬火态屈服强度≥1300mpa，淬火态延伸率≥12％，内外表面脱碳层深度均为0，在550mpa应力的条件下，扭转疲劳次数大于120万次。

在本发明钢的成分设计中：

c：c元素是提高钢的强度的主要元素之一，主要用于解决空心稳定杆的强度，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。为了实现在较少的合金元素添加的基础上达到较高的成品强度的目的，c含量的下限设置为0.28％，当c含量超过0.40％时存在焊缝部位产生淬火裂纹的问题。因此，本发明中c含量控制为0.28-0.40％，优选为0.28-0.35％。

si：si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度，因此本钢种适当增加si含量，以提高淬火状态钢的强度。因此si含量的下限为0.05％，同时si含量超过0.35％时，钢管的韧性降低。因此，本发明中si含量控制为0.05％-0.35％，优选为0.1-0.3％。

mn：mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。mn主要通过固溶强化来提高钢的强度，同时mn含量的添加能够有效增加钢的淬透性，是保证成品钢管具有高强度的重要保障。因此将mn含量的下限为1.05％，不过，若mn含量超过1.6％时，钢的塑性和冲击韧性随之下降得较为显著，对成品钢管的抗扭转疲劳性能产生不利影响，因此，本发明中mn含量控制为1.05-1.6％。

mo：mo在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用，由于本钢种需要在淬火后达到高的抗拉强度和塑性，当mo含量达到0.1％时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，因此mo含量的下限设定为0.1％。当mo含量过多时会对钢管的塑性产生不利影响。同时，还要考虑成本因素，因此，本发明中mo含量控制为0.1-0.6％。

b：b在钢中具有显著的提高钢的淬透性的作用，含量大于0.001％的b具有较明显的增加淬透性和强度的作用，同时b与mo复合添加可显著增加钢的淬透性，但是b含量一旦超过0.006％则会对钢管的韧性产生影响，并且考虑添加成本的因素，本发明中b控制为0.001-0.006％。

al：al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的塑性、韧性和加工性。当al含量达到0.015％以上时，其提高钢的塑性、韧性和加工性的效果较为显著，但是当al含量超过0.06％时，钢中硫化物夹杂增多，对钢管的抗扭转疲劳性能产生较大的影响。因此，本发明将al含量控制在0.015-0.06％。

cr：cr是中强碳化物的形成元素。钢中部分cr置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，另一部分cr则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。与此同时，cr也是提高钢的淬透性的主要元素。cr含量超过0.8％时，钢管基体和焊缝部位的塑性、韧性均会受到较大的影响，所以选择cr含量的上限为0.8％。因此，本发明中cr含量控制为0.1-0.8％。

ti：ti是强氮化物形成元素，与钢中的n形成tin化合物，从而抑制钢中因添加b元素而产生的脆性bn的析出，改善钢的韧性和塑性，考虑到合金添加成本，本发明中ti含量控制为0.003-0.06％。

本发明的技术方案中不可避免的杂质主要是s和p元素，尤其是s含量的增加会对钢中硫化物含量有大的影响，因此，尽量控制s在0.006％以下，控制p在0.015％以下。同时，钢中o含量对钢中氧化物类夹杂的影响较大，因此控制o含量在0.0030％以下。

本发明所述的汽车空心稳定杆用钢及钢管成分中不含有ca、mg或稀土金属等成本较高的添加元素，其通过对化学成分的优化设计，以c、mn为主要的强化元素，通过限定0.7％≤mo+50b+cr≤1.3％来控制mo、b、cr三种元素的组合添加，从而保证产品的淬透性，使得成品使用加工过程中的淬火加回火的热处理工艺后能够达到高强度的要求，同时可以避免合金元素添加过高引起钢塑性的降低和钢管后续冷弯成形时易产生冷弯裂纹。同时，通过添加ti元素来提高钢的强塑性，保证产品的冷弯成形性能和成品的抗扭转疲劳性能。更进一步的，通过对钢中p、s、o等元素的控制，提高钢的韧性，保证产品最终的抗扭转疲劳性能。

本发明还提供一种汽车空心稳定杆用钢管的制造方法，其包括如下步骤：

(1)按照上述化学成分的配比进行冶炼、铸造，并轧制成板卷，其中控制板卷的卷取温度为780-900℃；

(2)对板卷进行开卷和分条剪切；

(3)对分条后的板卷进行成形、焊接，焊接后去除内外表面毛刺，并对焊缝进行热处理，热处理温度为550-800℃；

(4)酸洗、磷化、皂化；

(5)冷加工至成品尺寸：采用冷拔或冷轧的方式进行多个道次的冷加工，且在两相邻冷加工道次之间进行中间热处理，中间热处理温度为500-700℃，保温30-60min；

(6)在气氛可控的还原性气氛炉中对成品进行热处理，热处理温度为700-930℃。

进一步，步骤(1)中，控制板卷的屈服强度为280-380mpa，抗拉强度为550-700mpa，来保证板卷的成形性能，同时保证产品的最终强度。

步骤(3)中，焊缝的热处理采用在线感应加热处理，热处理温度为550-800℃，以消除板卷成形焊接后焊缝组织的内应力，保证焊缝及热影响区的硬度、强度与母材保持一致，后续冷弯成形过程中不在焊缝处产生裂纹。

步骤(5)中，每道次冷加工的延伸系数为1.3-1.8，保证产品具有最好冷成型性的同时，每道次的变形量最大化，提高制造效率，降低成本，也避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷。每道次的冷加工之间采用500-700℃保温30-60min的中间热处理工艺消除加工应力，对钢管进行软化，保证钢管冷加工过程中具有最佳的冷成型性能。

步骤(6)中，成品的热处理温度为700-930℃，还原性气氛炉里热处理气氛中含有还原性气体h2或co，还原性气体h2或co的体积百分含量为15-40％，保证钢管表面为光亮状态，同时防止加热过程中产生内外表面脱碳。

本发明通过价格相对低廉的合金元素c、mn、mo、cr、b的复合添加来保证成品钢管的强度和塑性，同时控制焊缝热处理的温度550-800℃，冷加工过程中的中间热处理温度500-700℃，最终成品热处理温度700-930℃和还原性保护气氛来保证成品钢管的组织中无脱碳组织，且钢管内外表面为光亮状态。本发明通过控制焊接成形后对焊缝的热处理制度以及每道次冷加工的延伸系数，不但保证了制造钢管的生产效率，还有效地避免了钢管的开裂。

本发明所述稳定杆用钢管的微观组织为铁素体加珠光体组织和弥散分布的碳化物组织，保证产品的强塑性，为产品的高的抗扭转疲劳性能提供基础保证；钢管内外表面为光亮状态，内外表面无脱碳组织，保证了扭转疲劳过程中表面无薄弱易断裂的环节，焊缝部分的微观组织中金属流向清晰，且焊缝的金属流向不垂直于内外表面，这就保证焊缝部分在扭转疲劳过程中不成为断裂源，使得产品整体具有高的抗扭转疲劳性能。

本发明的有益效果：

1)本发明所述汽车空心稳定杆用钢管主要通过mn、ti、及少量的cr、mo、b元素复合添加来提高钢的淬透性，达到高强塑性和高抗扭转疲劳性能的目的，且无贵重金属元素添加，产品原料成本较低。

2)本发明所述汽车空心稳定杆用钢管以c、mn为主要强化元素，并控制0.7％≤mo+50b+cr≤1.3％提高钢管的淬透性，保证钢管在使用加工处理后具有高的强度，还添加了0.003-0.06％的ti以提高钢的塑性，并通过制造工艺的优化控制，使得钢管在淬火态具有高强度和高塑性，进而获得高抗扭转疲劳性能，且在制造时采用在还原性保护气氛下对钢管成品进行700-930℃热处理，使得钢管组织中无脱碳组织，钢管内外表面为光亮状态，使得产品整体具有高的抗扭转疲劳性能，该钢管可用于生产在高应力水平条件下使用的空心稳定杆，并可大大降低空心稳定杆的重量。

3)本发明所制备的汽车空心稳定杆用钢管具备较高的强度和塑性，以及良好的抗扭转疲劳性能，具体性能指标如下：淬火态抗拉强度≥1700mpa，淬火态屈服强度≥1300mpa，淬火态延伸率≥12％，内外表面脱碳层深度均为0，在550mpa应力的条件下，扭转疲劳次数大于120万次。

附图说明

图1为本发明实施例4焊缝的微观组织照片。

图2为本发明实施例4钢管的微观组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例1～10和对比例1～5钢管的化学成分，表2为本发明实施例1～10和对比例1～5钢管的制备工艺参数，表3为本发明实施例1～10和对比例1～5钢管的性能。

实施例1-10和对比例1-5

按照下列步骤制造本发明所述的汽车空心稳定杆用钢管1-10以及对比例1-5，其包括步骤如下：

(1)按照表1所示化学元素质量百分配比进行冶炼、铸造并轧制板卷，板卷的卷取温度为780-900℃；

(2)对板卷进行开卷和分条剪切；

(3)采用高频电阻焊的方式进行焊接得到母管，去除内外毛刺，焊后在线感应热处理的温度为550-800℃；

(4)对焊接好的母管进行酸洗、磷化、皂化；

(5)采用冷拔或冷轧的方式进行冷加工至成品尺寸，每道次冷加工的延伸系数为1.3-1.8，每道次的冷加工之间采用500-700℃保温30-60min的中间热处理工艺消除加工应力，冷加工后的钢管成品尺寸为壁厚1.5-8mm，外径15-50mm；

(6)采用含有h2或co还原性气氛的热处理炉进行热处理，热处理温度700-930℃，保温时间40-70min。

将上述实施例和对比例中的焊拔钢管的性能进行比较，具体判断是否符合空心稳定杆用钢管的标准如下：1)淬火态抗拉强度≥1700mpa，2)屈服强度≥1300mpa，3)延伸率≥12％，4)表面组织脱碳层深度为0，5)加载应力550mpa的条件下进行扭转疲劳试验，扭转疲劳次数大于120万次，记为合格，反之记为不合格。即当上述无缝钢管同时满足1)～5)的标准时为合格；反之，则为不合格，本发明实施例1-10和对比例1-5中钢管的综合力学性能参数如表3所示。

由图1可知，本发明所述钢管焊缝部分的微观组织中金属流向清晰，且焊缝的金属流向不垂直于内外表面，焊缝流线与内表面的角度为55°，保证了焊缝组织的强塑性和抗扭转疲劳性能。

由图2可知，本发明所制得的钢管的微观组织为：条带状的铁素体珠光体组织基体上弥散分布有细小的碳化物颗粒，保证了基体的强塑性，从而保证钢管具有良好的抗扭转疲劳性能。

由表3可知，实施例1-10的汽车空心杆稳定杆用钢管的淬火态抗拉强度≥1700mpa，淬火态屈服强度≥1300mpa，淬火态延伸率≥12％，内外表面组织脱碳层深度为0，在应力为550mpa的条件下进行扭转疲劳试验，扭转疲劳次数大于120万次。然而，由于对比例1-5中的各钢管的综合力学性能中的至少一项不符合标准。