動(dòng)力總成曲軸感應(yīng)淬火表面強(qiáng)化工藝的應(yīng)用

■ 朱正德

一、小型鑄鐵曲軸的表面強(qiáng)化工藝

用于1.6L以下小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸一般稱為小型曲軸。

眾所周知，軸頸圓角是加工中難度最大，也是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)易成為裂紋源的重要區(qū)域，出于提高曲軸疲勞強(qiáng)度的目的，就必須對(duì)圓角進(jìn)行強(qiáng)化處理（見圖1藍(lán)色部位）。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的常用強(qiáng)化工藝一般有以下三種：

（1） 軸頸面淬火+圓角滾壓工藝（見圖2a）。

（2）軸頸面滾壓強(qiáng)化+圓角滾壓強(qiáng)化工藝。

圖1 曲軸的表面強(qiáng)化區(qū)域

（3）圓角淬火強(qiáng)化工藝（見圖2b）。

目前最常用的是第一和第三種，而本文主要探討介紹的就是第三種——圓角淬火強(qiáng)化工藝。

事實(shí)上，對(duì)中大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面及圓角實(shí)施一次性感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理已有成功經(jīng)驗(yàn)，可是，對(duì)于以鑄鐵材質(zhì)為主的批量更大、前景更廣的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸卻仍然還是空白。因?yàn)閷?shí)施這項(xiàng)工藝時(shí)，表面強(qiáng)化區(qū)域是一個(gè)既包含軸頸面又包含左右兩側(cè)圓角的弧形區(qū)域，與中大功率發(fā)動(dòng)機(jī)相比，此時(shí)曲軸被強(qiáng)化的圓角更小，很多情況下甚至僅為1.0～1.2mm，從而大大增加了對(duì)其進(jìn)行淬火加熱的難度。故在執(zhí)行淬火工藝時(shí)，若沒有更為精巧的圓角淬火感應(yīng)器，以及更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂萍夹g(shù)，就很難有效地對(duì)凹處（R角）進(jìn)行可靠的強(qiáng)化處理。包括美國通用在內(nèi)的眾多汽車廠，迄今對(duì)小型鑄鐵曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理時(shí)，依然采用“軸頸面感應(yīng)淬火+圓角滾壓”作為主流工藝。而近年來，為簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，將這一工藝替代機(jī)械滾壓強(qiáng)化已成功地在德國、日本等主流汽車企業(yè)獲得應(yīng)用。

圖2

二、小排量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸圓角感應(yīng)淬火強(qiáng)化工藝的實(shí)踐

1. 半開放式感應(yīng)淬火線圈的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使“軸頸表面和圓角一次性感應(yīng)淬火”能適應(yīng)小型鑄鐵曲軸批量生產(chǎn)的需要，在試生產(chǎn)階段就需要解決諸如：高性能的專用淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、確定最佳的熱處理工藝參數(shù)（包括對(duì)淬火感應(yīng)器的調(diào)整），以及通過對(duì)淬火感應(yīng)器采取的一些節(jié)能優(yōu)化措施，使其在提升曲軸強(qiáng)化質(zhì)量的同時(shí)，又有較明顯的節(jié)能效果。歸納一下，優(yōu)化措施主要包括：

（1）通過在感應(yīng)淬火熱處理中所采用的專門在圓角附近設(shè)置的感應(yīng)銅管加熱線圈，替代昔日多為同心圓形狀的線圈，以實(shí)現(xiàn)對(duì)最需要予以強(qiáng)化的圓角部位進(jìn)行加熱。

（2）對(duì)原來組成方形的銅管構(gòu)件改為斜四邊形的銅管結(jié)構(gòu)狀，目的在于可以將能量集中到曲軸圓角部位，可優(yōu)先保證圓角淬火的深度，如圖3所示。

（3）將硅鋼片的覆蓋角度擴(kuò)大，從而增強(qiáng)了磁感應(yīng)能力，達(dá)到了提高能量利用率的目的。

（4）在結(jié)構(gòu)上采取側(cè)面銅板開孔，以減少側(cè)面板可能的過熱開裂。

2. 單次淬火工序方案的確立

為了使曲軸圓角部位形成具有目標(biāo)強(qiáng)度的硬化層，應(yīng)對(duì)的措施：使能量集中在軸頸圓角處，再進(jìn)一步把熱量擴(kuò)展到軸頸表面，藉此實(shí)現(xiàn)沿工件圓角及表面均勻的淬火效果。另外，由于線圈為半圓形，因而可從與軸呈直角的方向裝卸工件，操作更為方便，還可在軸頸加熱后立即實(shí)施冷卻，從而確立了被稱為“單次淬火”的工序方案，生產(chǎn)率很高。相比采取加熱工位與冷卻工位相鄰的圓形線圈進(jìn)行移動(dòng)淬火的工藝，使用半開放式感應(yīng)線圈進(jìn)行整體淬火時(shí)不但能提高工件表面強(qiáng)化的質(zhì)量，而且在實(shí)施過程中通過采取有效的措施，還取得更高的熱能利用率和較明顯的節(jié)能效果，尤其是降低了淬火裂紋風(fēng)險(xiǎn)，這主要是由新的淬火感應(yīng)裝置，已將原來的兩個(gè)電壓(能量)區(qū)增加到了4個(gè)，導(dǎo)致了原來存在的圓周方向淬火層難以保證均勻?qū)ΨQ的問題，有了顯著的改善，不僅在軸向相當(dāng)均勻，而且圓周方向也可保證均勻和對(duì)稱。

圖4是實(shí)際采用的淬火感應(yīng)裝置，它主要是由淬火感應(yīng)器的核心銅管（含硅鋼片）、兩側(cè)外殼銅板、淬火冷卻介質(zhì)銅管、絕緣膠合板、鎢鋼頭等部分，經(jīng)螺釘連接后組成的。

三、感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理硬化層的測(cè)試

1. 工藝驗(yàn)證與測(cè)試

工藝驗(yàn)證是指企業(yè)對(duì)一項(xiàng)新工藝或制造技術(shù)在批量生產(chǎn)條件下的可行性進(jìn)行的確認(rèn)，既體現(xiàn)了對(duì)所采用的工藝技術(shù)的認(rèn)可，又是對(duì)零件制造質(zhì)量的一種評(píng)價(jià)。作為評(píng)定依據(jù)，長期以來主要是按對(duì)經(jīng)過強(qiáng)化處理后工件表面硬化層性狀、包括硬化層深度、硬度和金相組織等的測(cè)試結(jié)果做出評(píng)價(jià)。近年來，為了使驗(yàn)證和評(píng)定更全面，在對(duì)汽車動(dòng)力總成中的如變速器里的齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸、連桿等關(guān)鍵零件，在一些企業(yè)，除了繼續(xù)完成上述測(cè)試外，又增加了強(qiáng)化區(qū)域的殘余應(yīng)力的測(cè)試，而這對(duì)于承受交變應(yīng)力的像齒輪、曲軸等零件，其意義還是很大的。

圖3 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖 4

采取感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行零件表面強(qiáng)化處理的優(yōu)勢(shì)，不單是所產(chǎn)生的馬氏體相變所形成的表面硬化層提高了工件的耐磨性，更重要的是由此所形成的硬化層深度較大，從而可以充分利用其深層的硬化特性，有效地提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。但因?yàn)橛蓹C(jī)械強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力集中在表層，潛藏的不太深，一定程度上降低了其穩(wěn)定性。因此，對(duì)于采用感應(yīng)淬火后形成的硬化層的性狀進(jìn)行全面的測(cè)試，是對(duì)評(píng)定執(zhí)行這項(xiàng)強(qiáng)化處理工藝的效果、做出工藝驗(yàn)證結(jié)論的重要一環(huán)。事實(shí)上，關(guān)于這一點(diǎn)，國內(nèi)外汽車制造業(yè)的理解和做法基本上是相同的。

2. 硬化層深度和硬度測(cè)試

作為測(cè)試和評(píng)定依據(jù)的既有國標(biāo)GB/T 9450—2005鋼件滲碳淬火硬化層深度測(cè)定和校核，也有大企業(yè)集團(tuán)推出的針對(duì)性更強(qiáng)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，之后的測(cè)試參照了大眾標(biāo)準(zhǔn)PV1069—2013，即《感應(yīng)淬火的球墨鑄鐵曲軸表面硬化層的相關(guān)試驗(yàn)》。圖5給出了被測(cè)試曲軸的受檢部位，覆蓋了工件的所有區(qū)域，體現(xiàn)了全面、細(xì)致的特點(diǎn)。至于曲軸圓角，還強(qiáng)調(diào)了務(wù)必測(cè)出對(duì)應(yīng)（主軸頸或連桿頸）的左右兩處（見圖6），圖中左下和右上的箭頭所指為PL2、即第二連桿軸頸進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的相應(yīng)圓角示意。

圖5 被測(cè)試曲軸的受檢部位示意

圖 7

圖 8

圖7、圖8乃是通過在硬化層深度范圍逐點(diǎn)測(cè)試，而繪制出來的硬度梯度曲線。在曲線繪制完成后， 就可以對(duì)硬化層深度合格與否做出判斷。按標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過強(qiáng)化處理后的球墨鑄鐵曲軸，硬化層深度要求控制在1.8～5.2mm，而確定原則是自表面以下一定距離開始，垂直于0表面隔一個(gè)值就利用顯微硬度計(jì)測(cè)出一個(gè)維氏硬度，至硬度值為某一定值時(shí)，該位置距0表面的距離即為硬化層深度。對(duì)該定義國內(nèi)外均一致，只是國標(biāo)中邊界值規(guī)定為450HV，而大眾的規(guī)定值為325 HV。

圖6 需測(cè)試的圓角示例

為了全面了解球墨鑄鐵曲軸經(jīng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化后硬化層的狀況，除了需要對(duì)三條生產(chǎn)線的同類工件（均選用1.6L MPI曲軸）做相同的測(cè)試，以獲得“正面”的評(píng)價(jià)外，還需與經(jīng)滾壓強(qiáng)化處理的前一代曲軸乃至鍛鋼曲軸測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，使最終獲得的驗(yàn)證結(jié)論更具有說服力。

3. 表面硬化層的金相試驗(yàn)

對(duì)應(yīng)的金相組織的評(píng)定也相當(dāng)完善，除了需在測(cè)試報(bào)告中予以詳細(xì)說明外，均要求附有各個(gè)被檢位置的金相圖，如圖9所示。圖9a是金相試驗(yàn)時(shí)尚未進(jìn)行腐蝕時(shí)的狀況，反映了試樣在常態(tài)下的組織形態(tài)，尤其是石墨球化的情況，顯然是很不錯(cuò)的。圖9b、圖9c分別對(duì)應(yīng)于在利用3%硝酸腐蝕下，淬火區(qū)域、非淬火區(qū)域產(chǎn)生的金相組織，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)中的要求，均屬正常。

經(jīng)對(duì)全部測(cè)試結(jié)果的觀察、分析后，可以清楚地看出：

（1）本次以工藝驗(yàn)證為目的的試驗(yàn)主體即企業(yè)在生產(chǎn)中占產(chǎn)量80%左右的球墨鑄鐵曲軸，在采用了整體式感應(yīng)淬火的強(qiáng)化工藝后，其表面強(qiáng)化層的質(zhì)量是可以保證的。實(shí)際上，無論通過對(duì)過去三年多來的幾十份曲軸表面的硬化層檢測(cè)報(bào)告，還是近期為了獲取最新的狀態(tài)而專門又做的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，都表明了即使那些實(shí)測(cè)值相對(duì)差些、處于在下限附近的樣本，事實(shí)上它們的占比也很小。

（2）至于只占工作量20%左右的鍛鋼件，其圓角的硬化層深度大多接近允許值下限，而且按照大眾公司的材料標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)金相組織雖有要求，但圖樣上則并未明確的要求，可見對(duì)圓角經(jīng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化后，鍛鋼件的疲勞強(qiáng)度的提升是有充分信心的。

（3）最后再分析一下球墨鑄鐵曲軸圓角在經(jīng)過滾壓強(qiáng)化后的狀況，事實(shí)上，由機(jī)械強(qiáng)化形成的硬化層的深度相當(dāng)淺，很少達(dá)到1mm。這也意味著，由于抵御疲勞破壞所必須的殘余壓應(yīng)力都集中在表層，從而降低了抵抗疲勞載荷的穩(wěn)定性。但鑒于滾壓作為傳統(tǒng)工藝已相當(dāng)成熟，且圓角并未經(jīng)熱處理，故對(duì)硬化層并沒提技術(shù)要求。相比曲軸圓角經(jīng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化后，其硬化層深度遠(yuǎn)大于它，表明對(duì)提高曲軸等零件的強(qiáng)度，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)零部件輕量化十分有利。

關(guān)于應(yīng)力分析及疲勞強(qiáng)度的測(cè)試與驗(yàn)證，這里不再贅述。

圖9 對(duì)應(yīng)試樣的金相組織圖的示意

四、結(jié)語

本文介紹了針對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)球墨鑄鐵曲軸執(zhí)行一次性感應(yīng)淬火工藝的實(shí)踐過程，以及如何對(duì)所形成的曲軸圓角表面硬化層的性狀測(cè)試，以驗(yàn)證這一新的強(qiáng)化工藝的有效性，從而為眾多同類企業(yè)提供可以借鑒的成功案例。

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