感应淬火汽车零件的材料、硬度及硬化层设计探讨

2018-06-20林信智

金属加工(热加工) 2018年6期

■ 林信智

感应淬火的钢号虽然越来越多，但作为结构钢的中碳钢和中碳低合金钢仍是首选材料。感应淬火零件的表面硬度、硬化层深度和硬化层形状，都与所用材料有关。而这些技术指标又与零件的力学性能相关联。

一、感应淬火汽车零件的材料选用

感应淬火汽车零件常用的材料是中碳钢或中碳低合金钢。

汽车零件生产遵循低成本、高效率原则。而中碳钢（或中碳低合金钢）是比较廉价的钢材。感应淬火在各种热处理工艺中又是最节能、最环保、最廉价的热处理工艺方法。中碳钢零件经感应淬火后又能获得优良的力学性能。因此，感应淬火的汽车零件定当大量应用中碳钢材料。

1. 感应淬火汽车零件材料

（1）曲轴、凸轮轴、钢板销、变速拨叉、摇臂轴、输出凸缘等多用45钢制造。

（2）轿车转向齿条、转向阀套、输入轴、飞轮齿圈用45钢或40钢制造。

（3）配气系统的推杆、离合器拨叉用35钢或40钢制造。

（4）轿车轮毂轴承的内圈（法兰轴）、外圈和钟形壳（等速万向节）多用55钢或50钢制造。

（5）轮毂轴、花键轴、半轴、转向节、转向输入轴、传动轴凸缘、三销套等用40Cr、45Cr钢制造。

（6）重型汽车曲轴、半轴、贯通轴、变速器输出轴用42CrMo钢制造。

（7）少数轮毂轴承内圈和外圈用滚动轴承钢GCr15或弹簧钢65Mn制造。

（8）轻型汽车（或轿车）的曲轴、凸轮轴，多用球墨铸铁（QT600—3、QT700—2）制造。

日本许多感应淬火汽车零件用35钢制造，淬火冷却介质为自来水，硬度可达到52~58HRC，能够满足使用要求，生产管理简化，生产成本降低。

刘宗昌教授曾有论述：低碳钢淬火得到位错型的马氏体，由于位错是可以滑动的，正是这种滑动的位错使马氏体具有一定的塑性，因而断裂韧性较高。而当wC>0.4%时，马氏体的韧性降低了，变得硬而脆，即使经过低温回火，韧性亦较差。也许这一阐述，正是日本汽车厂商感应淬火零件大量应用35钢的理论依据。

以上是感应淬火的主要汽车零件材料情况。拖拉机、工程机械等感应淬火用钢也基本如此。

2. 中碳钢零件感应淬火后，能获得高硬度，可提高零件的耐磨性

图1显示了钢中碳含量与淬火硬度及耐磨性（磨损量）的关系。从图中可知，钢的碳含量越高，淬火后硬度越高，耐磨性越好（磨损量越小）。许多零件采用感应淬火的目的是表面层获得高硬度（心部仍然保持原有的低硬度），在保持零件韧性的前提下，提高了零件耐磨性。中碳钢零件感应淬火后可获得58~63HRC的高硬度，接近高碳钢的淬火硬度，当然能获得良好的耐磨性。

一般炉中加热淬火的零件，能获得很高的淬火硬度，特别是中小型零件。但这些心部淬透的高硬度零件往往不能直接使用，因为零件的心部具有高硬度后，将导致零件脆性大、韧性小，使用中很危险。然而感应淬火零件只是表面层高硬度，心部低硬度或很低硬度。因此，可以做到同一个零件既有高的耐磨性，又有高的强韧性。

前驱动轿车有个零件叫钟形壳（等速万向节），图2是该零件的形状和硬化层分布图。零件的壳体内腔和花键表面需要感应淬火，硬化层均为2.5~3.5mm，硬度为60HRC左右。零件的上部为壳体状，壳内有球道，轿车运行时，有钢球在球道中滚动，实现了输出端转向并能传递转矩，钢球对球道产生巨大地压强和磨损，为此球道必须经高频感应淬火，使其具有高硬度，以便承受钢球的压力和磨损。壳体的最薄处厚度4.3mm左右，要求其内表面有厚度2mm左右的硬化层，剩余厚度必须保持较低的原始硬度。下方柄部是直径24mm的花键，在其表层也需有2mm左右的硬化层（心部仍保持较低的原始硬度），使柄部花键有较高的耐磨性并有一定的强韧性。该零件的感应淬火，实现了高耐磨性和高强韧的完美结合，这是一个典型的感应淬火零件。所用材料一般为55钢或50Cr。

图1 钢中含碳量与淬火硬度及耐磨性的关系

图2 钟形壳淬硬层分布

表1 感应淬火对40CrNiMo钢疲劳性能的影响

表2 感应表面淬火对汽车半轴和转向节疲劳性能的影响

3. 中碳钢零件感应淬火后可获得高的疲劳强度

中碳钢零件感应淬火后可获得高硬度的硬化层，而高硬度的硬化层存在着强大残余压应力，一般可达539~784MPa，这种残余压应力完全消除零件表面缺口对疲劳强度的有害作用（缺口类的缺陷，在机械零件中是普遍存在的），能大幅度地提高零件的疲劳强度。如表1所示。

感应淬火还可以提高零件疲劳强度，能够显著地提高零件的寿命。这一特点在承受疲劳载荷的载货汽车零件中得到广泛认可（见表2）。

表2数据表明，中频感应淬火半轴的疲劳断裂寿命是调质半轴的4.47倍。中频感应淬火的转向节的疲劳断裂寿命是调质转向节的21~128倍。

二、汽车零件感应淬火硬度设计

1. 常用钢号感应淬火硬度

众所周知，钢制零件淬火硬度仅决定于用碳含量。根据钢号的碳含量可以计算淬火硬度，下面介绍两则计算硬度的公式。

1957年苏联齐良宾拖拉机厂工程师格尔布里斯基（И.Я.Горбульский）发表了根据钢的碳含量，计算钢的最大淬火硬度的公式：

1964年我国政府发布文件，说明当时及以前中国应用的钢铁洛氏硬度（HRC）是按苏联标准标定的，而苏联标准比国际标准低2HRC左右，为使硬度检验数据与国际接轨，必须将所有检验洛氏硬度（HRC）数据+2（以后生产的硬度计一律按国际标准标定）。因此，式（1）变为：

HRC=20+60（2C-1.3C2）＋2（2）

1994年我国四川泸州长江挖掘机厂工程师赵振东在当年第五期《机械工人（热加工》上发表另一则根据碳含量计算最大淬火洛氏硬度的公式：

笔者用式（2）、式（3）计算了感应淬火常用的8个钢号的淬火硬度，发现计算的结果是相同的或相近的，而且与生产实际相吻合。这说明上述两个公式有一定的正确性。如表3所示。

表中显示了两个公式计算的40、45、40Cr、42CrMo钢的淬火硬度基本是相同的，其余钢号的计算值是相近的，说明该公式有应用价值。

表3 感应淬火常用钢号的计算硬度、实际硬度及淬火层深度

2. 汽车零件表面感应淬火硬度设计

汽车零件表面感应淬火硬度设计，是根据零件的使用功能、工况条件确定的，标注为洛氏硬度（HRC）。

我国某大型汽车企业的“企业标准”将感应淬火表面硬度，规定如下几个等级：58~63HRC；55~63HRC；52~63HRC；52~58HRC；48~58HRC。

应用举例：

（1）58~63HRC用于耐磨性要求很高的零件，如轮毂轴承内外圈（滚道）、钟形壳、球头销等。

（2）55~63HRC用于耐磨性要求较高，对强度要求也较高的零件，如曲轴、凸轮轴、轿车半轴、钢板弹簧销、变速叉轴等。

（3）52~63HRC用于耐磨性要求一般、承受大扭矩、大弯矩负载的零件，如载货汽车半轴、转向节、贯通轴等。

（4）52~58HRC用于耐磨性要求一般、承受较高扭矩、较高弯矩负载的零件，如轻型汽车曲轴、转向节、轿车输出凸缘轿、半轴及车轮支架等。

（5）48~58HRC 用于感应淬火的25钢、30钢、35钢及一些球墨铸铁制件。

选择淬火硬度范围不是越高越好，而是依能满足功能需求、硬度适中为最好处。淬火硬度越高，淬裂的风险也越高。

欧美日等国的汽车零部件及工程机械零部件感应淬火硬度的设计，不追求极高的硬度，例如纯承受磨损的变速叉、变速导块、变速叉轴及输出凸缘等零件，规定淬火硬度多为55~62HRC。挖掘机纯承受磨损的零件支重轮、引导轮规定淬火硬度为50~58HRC或＞50HRC。极高端的硬度（58~63HRC）很少使用。承受扭矩并有一定耐磨性要求的轿车半轴及车轮支架等，规定硬度为52~58HRC。

欧洲、美国、日本厂家所以不追求极高的硬度值，就是担心淬火硬度要求太高，淬火裂纹的风险也越高。它们将硬度范围的下限分别定为50HRC、52HRC、55HRC，显然这种下限硬度，也是能满足零件需求的。这种选择十分可贵，它为感应热处理厂家提供了规避淬火裂纹的余地。

汽车零件感应淬火硬度范围设定的科学性，由表3可知，任何钢号的碳含量都有其上下限，自然对应了淬火硬度的上下限，且上下限之偏差为3.5~6HRC。感应淬火硬度的上下限的设定，实际是对应于钢的碳含量范围所形成淬火硬度的上下限。

三、汽车零件感应淬火硬化层设计

感应淬火一般均为表面淬火，即表面层淬火，当然要有硬化层深度的要求，硬化层深度也是感应淬火零件一个重要的技术指标。

对于两类负载零件，有两种硬化层设计考虑：

（1）对于主要为提高耐磨性的零件，其硬化层可以薄些，通常1~2mm即可。但有些零件，要在大修中重磨一次，如载货汽车曲轴的硬化层要把重磨的磨量计算在内，载货汽车曲轴硬化层一般规定为2~4mm。

（2）对承受弯曲、扭转负荷的零件或疲劳负荷的零件，需提高它们的强度，特别是提高疲劳强度，需增加硬化层深度。一般说来硬化层深度加深，强度会提高。对于承受弯曲、扭转或二者相结合的疲劳载荷的零件，硬化层面积应相当于零件横截面积的20%左右，或硬化层深度约为直径的10%，这样可得到强度、疲劳强度和韧性的最佳配合。

还应该指出，随着硬化层的加深，淬火变形也必然增大，尤其是轴类零件的弯曲（中间跳动），几乎与硬化层的深度成正比。简而言之，工件的硬化层深度的设定，应该以满足功能需要为准则，过深的硬化层，不仅造成功能过剩，浪费能源，还可能产生其他工艺质量问题。

前苏联感应热处理专家高洛文教授（Г.Ф.Головин）推荐了根据零件直径确定硬化层深度图（见图3）。

笔者认为：图3推荐的硬化层深度主要适用于耐磨零件，对于承受强力弯曲、扭转及疲劳载荷的零件，图中推荐的硬化层深度似乎浅了一些。

以下介绍汽车零件常用硬化层范围（国家标准GB5617—1985规定DS代表有效硬化层深度）：①DS=0.5~1.0mm，主要用于耐磨损零件及直径≤15mm的小轴、薄壁零件如摇臂轴及阶梯零件的内圆角处等。②DS=1.0~2.5mm，主要用于耐磨损零件及直径15~30mm的小轴，如钢板弹簧销、变速叉、变速导块等。③DS=2.0~4.0mm，主要用于中型汽车的曲轴、轻型汽车转向节、球头销、轿车的输出凸缘和半轴等零件。④DS=3.0~5.0mm，主要用于重型汽车的曲轴、中型车转向节、轻型车半轴等零件。⑤DS=4.0~7.0mm，主要用于中型车半轴。⑥DS=7.0~12mm，主要用于重型车半轴。

顺便强调一下，尽管现在感应淬火设备的控制精度已经大幅度提升了，但就材料质量方面而言，仍有些不可控的因素（如成分偏析等）影响感应淬火的结果。因此，国内外的大型汽车企业均不对感应淬火的表面硬度值和硬化层深度值进行CPK值考核。同样，其他种类热处理工序产品也不进行CPK值考核。感应淬火零件的表面硬度和硬化层深度，只要达到技术要求就是优质件。个别软点是可以忽略的。

不是每一袋化肥都叫天脊化肥。天脊集团在1987年9月18日生产出第一袋硝酸磷肥，使用硝酸分解磷矿生产的硝酸磷肥同时含有硝态氮和铵态氮，以及水溶性磷和枸溶性磷，还富含中微量元素和硝酸稀土，形成了大量元素养分与其他中微量元素的协同增效作用。这是其它化肥无可替代的。

图3 硬化层深度与零件直径的关系

四、含有内圆角的汽车零件硬化层设计

含有内圆角的汽车零件中，多数需要感应淬火。零件直径的骤然增加或减小时，往往用内圆角加台阶过渡。所谓内圆角系指抠向（或挖向）零件体内部形成的角，其底部由圆弧过渡称为内圆角。当然其底部也有清根的，称为清根内角。与内圆角概念相对应是外圆角，通称为楞角或棱角。感应加热有个效应，叫“边缘效应”或“楞角效应”，说的是感应加热时外圆角处易“抓住”磁力线，且“抓住后轻易不放”，自然使外圆角处加热速度快，加热温度高。内圆角在感应加热时的表现与外圆角正好相反，即加热升温慢，加热温度低，甚至完全加热不起来，因此内圆角建立硬化层很困难。尽管如此，有些零件根据工况需要，其内圆角必须感应淬火，且要有一定深度的硬化层。

内圆角感应加热之所以困难，是由两种原因造成的。①内圆角的两个“边”屏蔽了底部内圆角，使磁力线不能进入到圆角处，磁力线是封闭的圆环线，它具有能量，当它在接近圆角时，首先进入两个边，并在两个边上产生热量并使其升温。内圆角处没有磁力线进入，自然不会产生热量，内圆角的热量全靠两边传导过来。②内圆角处的热容量远大于其毗连部分（圆柱面和圆环面）的热容量。假如，内圆角与其两边的毗连部分同时获得相同的热量，其升温速度也要低于（或远低于）其毗连部分。因此，内圆角的加热层建立是困难的，自然硬化层的建立也很困难。高明的设计师尊重感应加热的这个特点，坚持内圆角有硬化层，使危险截面的强度得以保证，但硬化层深度要减小，小到保证强度需要的最低值即可。于是，一个优秀设计产生了：内圆角处设定了较薄硬化层，但它可以满足了零件强度的需要，又防止了为追求内圆角硬化层与其毗连部分等深度，而导致毗连部位硬化层过深或淬裂的不良后果。

感应淬火零件中，内圆角结构是大量存在的，国内的设计师一般不很了解感应加热的特点，尤其不很了解内圆角的感应淬火的困难，没有特殊关注，有时对内圆角硬化层随意标注，给感应淬火加工带来困难。下面举几个国外厂家的设计的实例。

1. 轿车轮毂轴的内圆角硬化层设计

图4是某外国名牌轿车的轮毂轴，它的工况是很恶劣的，既要传动大转矩，还承受疲劳弯矩，它的危险截面就在圆角处。因此圆角处必须感应淬火，而且要有一定深度的硬化层，以保证零件强度和行车的安全。设计师也知道内圆角建立硬化层是很困难的，所以他将圆角硬化层减至0.5mm（最小），而其他部位分别要求为1.3~3.5mm和1.5~4.5mm。

2. 输出法兰轴的内圆角硬化层设计

图5是外国品牌轿车的输出法兰轴硬化层设计，它的淬火区域内有两阶台阶，属于阶梯轴类的零件，在其淬火区域中自然含有两个内角（清根退刀槽）结构，显然右面第一个退刀槽处内角是危险截面，设计师知道这里要达到与轴颈相同的硬化层深度是困难的，将此处硬化层深度减了下来，注明硬化层≥1mm即可，其他部位硬化层要求为2.0~3.5mm。

将内圆角的硬化层深度适当减小，使整个零件淬火部位淬硬层连续起来，保证内圆角附近的轴颈表面淬火温度不至于过高，硬化层不至于过深，从而提高了整个零件的强度，使零件获得优良的力学性能。

图4 某轿车的轮毂轴硬化层设计

3. 某轻型客车转向节内圆角硬化层设计

该转向节感应淬火区域有两个内圆角，显然下面的内圆角是危险截面，于是设计师明确要求，两个内圆角都要有硬化层，下面的内圆角硬化层DS≥2mm，其余DS=2.5~4mm。

该转向节感应淬火有两个难点：①内圆角要有硬化层，很难达到设计要求。②中间外圆角的硬化层必须控制在DS≤4mm，否则易产生淬火裂纹。

这要求感应热处理工程师必须设计出特殊功能的感应器，该感应器的特点：①对两个内圆角的加热是强烈的，使之加热速度快，能迅速建立加热层，经喷射冷却形成硬化层。②该感应器对外圆角基本不要加热，外圆角的升温热量主要是从两内圆角热量传导过来和感应器散失磁力线的加热获得。总之，感应器的任何有效导线对外圆角不能有直接的加热作用，否则外圆角将会升温很快、温度很高，硬化层定会超过规定，进而产生淬火裂纹。

上海恒精公司开发了轻型客车转向节淬火技术。其硬化层照片如图7所示。