發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸感應(yīng)淬火工藝

張立平，張學(xué)強(qiáng)，李永真

在國內(nèi)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠、曲軸配件廠，感應(yīng)淬火都已成為主要的曲軸強(qiáng)化手段，并在不斷擴(kuò)大應(yīng)用。曲軸采用感應(yīng)淬火進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)非常理想。

1. 曲軸感應(yīng)淬火優(yōu)勢(shì)

（1）鋼曲軸經(jīng)感應(yīng)淬火+低溫回火（或自熱回火）后，與調(diào)質(zhì)態(tài)相比可提高曲軸疲勞強(qiáng)度100%以上，同時(shí)大大提高軸頸表面的耐磨性（淬火+回火硬度可精確控制在50～55HRC），而其他強(qiáng)化手段則難以同時(shí)達(dá)到以上兩項(xiàng)指標(biāo)。

（2）感應(yīng)淬火生產(chǎn)效率高，且感應(yīng)淬火清潔及可按節(jié)拍生產(chǎn)，可直接安排在曲軸生產(chǎn)流水線上，節(jié)省物流費(fèi)用和時(shí)間。

（3）僅曲軸對(duì)軸頸等需要淬火硬化的表面部位加熱，而且電效率高、時(shí)間短，較其他熱處理能耗降低80%以上。

（4）由于加熱范圍小、時(shí)間短，使處理的曲軸變形小、氧化脫碳少，可以減少精加工余量，降低機(jī)加工的工作量等。

2. 感應(yīng)淬火曲軸的材質(zhì)

（1）曲軸材料 汽車曲軸常用材料有調(diào)質(zhì)鋼42CrMo、35CrMo、40Cr、40MnB等，非調(diào)質(zhì)鋼48MnV等，以及球墨鑄鐵等。材料中Cr、Mo等合金成分可顯著提高材料的淬透性，從而提高曲軸的強(qiáng)度，但其價(jià)格較高，而淬火開裂傾向大，需使用合適的淬火冷卻介質(zhì)以避免淬火裂紋，故選材時(shí)應(yīng)考慮滿足性能要求的前提下優(yōu)先選球墨鑄鐵和非調(diào)質(zhì)鋼，以降低生產(chǎn)成本。只要工裝合適、工藝合理、操作精確，無論是非調(diào)質(zhì)鋼還是球墨鑄鐵曲軸，感應(yīng)淬火都可實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。

（2）毛坯的預(yù)備熱處理 調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理可以得到細(xì)致均勻的組織，零件內(nèi)應(yīng)力較小，對(duì)感應(yīng)淬火極有好處：淬火組織均勻、淬火變形和開裂傾向小。非調(diào)質(zhì)鋼利用V、Ti等元素的加入細(xì)化晶粒，在大幅度降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高各項(xiàng)力學(xué)性能，但其在組織準(zhǔn)備上不同于調(diào)質(zhì)鋼，故在制訂感應(yīng)熱處理工藝時(shí)要根據(jù)其組織特點(diǎn)加以分析。

球墨鑄鐵曲軸的預(yù)處理組織主要有正火態(tài)和鑄態(tài)兩種。正火處理可提高珠光體的含量，消除鑄造應(yīng)力，組織也較均勻，再經(jīng)感應(yīng)淬火易得到組織、硬度均勻的淬硬層。鑄態(tài)球墨鑄鐵毛坯，鑄態(tài)組織中珠光體含量一般在75%～85%，鐵素體較多，要得到理想的淬火組織，對(duì)感應(yīng)淬火工藝要求較高。因此，制訂工藝時(shí)要考慮不同的預(yù)備熱處理對(duì)感應(yīng)淬火的影響。

3. 感應(yīng)淬火的熱處理規(guī)范

（1）感應(yīng)淬火工藝的制訂 要取得理想的效果，與加熱功率、工件的材料、控制間隙、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間、工件余熱、淬火冷卻介質(zhì)的濃度及壓力等都有關(guān)系。對(duì)不同的材料應(yīng)采用不同的參數(shù)，如合金鋼的韌性好，適合大功率加熱和快速冷卻，而球墨鑄鐵是脆性材料，不適合大功率、長時(shí)間加熱以及驟冷，加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際狀況、工件淬硬層的要求而定。合金鋼和球墨鑄鐵曲軸中頻感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)見表1，僅供參考。

（2）感應(yīng)淬火的技術(shù)要求 指標(biāo)主要有：表面硬度、硬化區(qū)范圍、硬化層深度、金相組織、淬火變形量以及淬火裂紋等。

淬火硬化層金相組織：鋼曲軸為針狀或細(xì)針狀回火馬氏體，不應(yīng)出現(xiàn)游離鐵素體；球墨鑄鐵曲軸允許在球狀石墨的附近有少量未溶鐵素體，但不能成環(huán)狀。

硬化層深度及表面硬度是獲得高疲勞強(qiáng)度的重要指標(biāo)，都有一個(gè)最佳范圍，過高和過低都使疲勞強(qiáng)度降低。硬化層深度淺和表面硬度過低造成零件強(qiáng)度不足、耐磨性降低；反之當(dāng)硬化層深度過深時(shí)，壓應(yīng)力峰值從表面向內(nèi)推移，表面壓應(yīng)力降低，從而使強(qiáng)度降低。硬度過高帶來的危害是明顯的，它使零件的脆性增加，在曲軸受到彎扭疲勞載荷及沖擊力的情況下強(qiáng)度嚴(yán)重降低。常用鋼曲軸的淬火硬化層深度及表面硬度與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。

圖中所示硬化層深最佳范圍適用于φ55～φ90mm軸頸，其他軸頸應(yīng)在此基礎(chǔ)上做出調(diào)整。在以提高耐磨性為主時(shí)，表面硬度可以取高至55HRC左右；而球墨鑄鐵具有良好的自潤性及儲(chǔ)油能力，曲軸表面硬度≥45HRC即具有足夠的耐磨性；疲勞強(qiáng)度要求高時(shí)，應(yīng)以得到高而均勻的表面壓應(yīng)力為主，對(duì)表面硬度則不過分追求。

（3）淬火后的回火 感應(yīng)淬火后，表面的組織由珠光體轉(zhuǎn)變成馬氏體，致使工件存在殘余熱應(yīng)力、組織應(yīng)力，必須及時(shí)對(duì)工件進(jìn)行回火處理，一般規(guī)定在4～8h內(nèi)，否則會(huì)引起曲軸表面開裂。

表1 淬火工藝參數(shù)

圖1 硬化層深度及表面硬度與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系

4. 感應(yīng)淬火操作要領(lǐng)

（1）待處理件表面應(yīng)無裂紋、缺陷、毛刺、油污及脫碳層等，否則淬火后易產(chǎn)生淬火裂紋、燒傷工件、硬度不夠等缺陷。

（2）設(shè)計(jì)制造或選用感應(yīng)器時(shí)，其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸應(yīng)能滿足工藝要求。

（3）感應(yīng)器與工件在處理過程中，應(yīng)保持合適的相對(duì)位置，控制間隙在1.5～2.5mm。

（4）正確選擇電參數(shù)，使設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)。鋼曲軸選擇功率在（100±5）kW，球墨鑄鐵曲軸選擇（75±5）kW。鋼曲軸可以用較高的功率處理，因其有好的延展性，適合淬火；球墨鑄鐵是脆性材料，適合較低功率淬火，否則特別易產(chǎn)生淬火裂紋。

（5）工件表面溫度的測(cè)量很重要，應(yīng)采用光電高溫計(jì)或紅外輻射溫度計(jì)，連續(xù)跟蹤測(cè)量控制工件下料溫度，保持在150～220℃的余熱，及時(shí)調(diào)整設(shè)備工作參數(shù)，利用余熱實(shí)現(xiàn)工件的自回火，這也是防止淬火裂紋的關(guān)鍵措施。

（6）根據(jù)材料、工件形狀、尺寸以及加熱方法和所要求的硬化層深度，合理確定冷卻參數(shù)，包括冷卻方法、淬火冷卻介質(zhì)及冷卻時(shí)間等。

（7）球墨鑄鐵曲軸的圓角不適宜淬火強(qiáng)化，硬化層應(yīng)離開圓角3～6mm，使硬化區(qū)與非硬化區(qū)交界處的殘余拉應(yīng)力遠(yuǎn)離圓角，以提高疲勞強(qiáng)度，防止圓角處應(yīng)力過度集中而引起早期非疲勞斷裂。

5. 應(yīng)用

球墨鑄鐵曲軸的感應(yīng)淬火加圓角滾壓，被越來越多的曲軸生產(chǎn)廠家所采用，該復(fù)合強(qiáng)化工藝的合理使用會(huì)提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，且極大地改善表面粗糙度和耐磨性，可操作性強(qiáng)。

下面是某型號(hào)的QT800-2四缸曲軸進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火處理實(shí)例，其效果優(yōu)于其他的表面熱處理。

（1）加工流程 金屬型鑄造→正火處理→高溫去應(yīng)力回火→粗加工→一次無損檢測(cè)→感應(yīng)淬火→中溫回火→二次無損檢測(cè)（檢測(cè)淬火裂紋）→精加工。

（2）感應(yīng)淬火的工藝規(guī)范 根據(jù)曲軸感應(yīng)淬火的技術(shù)要求（見圖2），制訂感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)（見表2）。

（3）設(shè)備和工裝 設(shè)備是曲軸專用的半自動(dòng)淬火設(shè)備，晶匣管中頻電源，馬鞍形感應(yīng)器，濃度5%～8%PAG淬火冷卻介質(zhì)。

（4）處理后的檢驗(yàn)結(jié)果 曲軸淬火后各軸頸的淬硬層為3.0～4.0mm，淬火+回火后表面硬度45～52HRC，淬硬區(qū)與側(cè)面的間距在5～6.5mm，淬硬區(qū)金相組織為馬氏體6～7級(jí)，無淬火裂紋；淬火+回火后徑向圓跳動(dòng)量≤0.5mm（測(cè)量中間主軸頸），滿足技術(shù)要求。

表2 淬火工藝參數(shù)

圖2 球墨鑄鐵曲軸主軸頸淬火區(qū)