感应淬火技术在汽车零部件上的应用

2023-08-22刘又红杨帆林信智

金属加工(热加工) 2023年8期

刘又红，杨帆，林信智

上海恒精感应科技有限公司上海 201707

1 序言

诞生于20世纪初的感应淬火技术，因具有节能、环保、优质和高效等诸多优点，在现代机械制造业中得到了广泛应用，特别是汽车工业[1]。在20世纪40年代前后，中型载重汽车上只有曲轴、凸轮轴及轴销等近30种零件应用感应淬火技术，其余零件均采用常规热处理强化（如调质、渗碳等）[2]。20世纪50～60年代以来，感应淬火（或加热）技术以锐不可挡之势，不断攻占常规热处理阵地，以某新式中型载货汽车为例，其感应淬火零件的品种几乎增加了1倍，达到60余种，感应淬火零件总重量近300k g，几乎占全部热处理零件重量的一半以上。

2 感应淬火是最节能的热处理方法之一

我国某地单项热处理工序能耗综合测量的结果见表1。

表1 单项热处理工序耗能情况比较

从表1可看出，在16种单项热处理工艺中，感应（高频、中频）淬火的能量消耗量是最低的，只相当于高温回火的能量消耗，而其余13种热处理方法（除中低温回火外），每吨热处理零件的能量消耗分别是高（中）频淬火的2～20倍。众所周知，机械零件热处理的成本中，能量消耗的费用占60%～80%，因此节电就是效益，这是所有热处理厂家的共识。

下面以某型汽车转向拉杆球头销为例进行说明。

转向拉杆球头销是汽车上最重要的保安件之一，其传统材料是20CrMnTi钢，热处理工艺是渗碳淬火，若改为45钢，中频感应淬火，则材料及热处理费用可节省38%以上，按每辆车4件、年产10万辆汽车计算，其效益非常可观。

3 感应淬火可提高零件的力学性能和使用寿命

下面以汽车发动机曲轴、半轴、转向节为例进行说明。

3.1 发动机曲轴

汽车发动机曲轴是最早应用感应淬火取代调质的零件之一。也是感应淬火应用最为成功的零件之一。图1所示为某大型载重汽车曲轴的零件结构。由图1可知，其有6个连杆轴颈及7个主轴颈需要中频感应淬火。

图1 圆角淬火的大型汽车曲轴结构

汽车发动机曲轴早期的热处理是调质，中碳钢曲轴的调质硬度为20～25HRC，合金钢曲轴的调质硬度为30～35HRC，调质曲轴的力学性能并不理想，主要的失效原因是耐磨性较差。1920年，美国俄亥俄州克拉克机轴公司，首先将发明不久的感应淬火技术用于曲轴轴颈硬化，轴颈的表面硬度提高到50HRC以上。此举，明显地提高了曲轴的耐磨性，且大幅度地提高了曲轴的工作寿命。到20世纪30年代，美欧各大汽车制造厂普遍应用了这一技术。当时曲轴淬火使用的是分合式圆环感应器。

50年代中期，德国人发明了“C”形感应器，用于曲轴淬火。该感应器也称“半圈感应器”。用半圈感应器淬火的方法，也称“依洛森法”（Elotherm）。该方法是将半圈感应器扣在轴颈上，曲轴在旋转中加热和冷却（淬火）。这种方法不仅方便了感应器在曲轴上方的进出，简化了淬火操作，同时也解决了用圆环感应器淬火时，经常出现的曲轴油孔淬火裂纹和淬火区域宽窄不均等质量问题。因此，业内人士普遍认为，依洛森淬火法是曲轴感应淬火技术的一大进步。到1955年前后，殴美各国生产的汽车发动机的曲轴，普遍采用了这一方法进行表面淬火。

依洛森淬火法还可以实现轴颈及轴颈圆角的同时淬火，因此可以显著地提高曲轴的疲劳强度和使用寿命。有资料表明，曲轴轴颈感应淬火，可将曲轴的工作寿命提高到8000h。当曲轴的轴颈及圆角同时淬火后，曲轴的工作寿命可以提高到10000h以上。

目前，国内各大型汽车发动机工厂生产的曲轴，几乎全部使用“依洛森法”淬火。现将该方法的优越性简述如下。

1）曲轴的轴颈和圆角感应淬火后，可获得≥600MPa的残余压缩应力，曲轴的疲劳强度因此而大幅度提高。

2）大量节能。现以某发动机曲轴为例，该轴质量为43kg，而各轴颈进行感应淬火的质量仅为4.3kg左右，占曲轴整体质量的1/10。显然，曲轴轴颈的表面感应淬火，与曲轴整体透热淬火相比，是大量节能的。

3）生产效率高。以某45Mn钢曲轴为例（6连杆轴颈和7个主轴颈），感应淬火的工艺时间仅0.1h，而其他任何种类热处理的工艺时间均在1h以上（见表2）。

表2 各种热处理工艺对曲轴疲劳强度的影响

4）淬火变形小。对于曲轴而言，普通热处理变形是严重的，矫直也是困难的。而只有感应淬火的曲轴，变形是很小的。

经过毛坯调质的大中型曲轴，其连杆轴颈及主轴颈，是分别进行感应淬火的。整根曲轴的各轴颈感应淬火后，测量中间主轴颈的弯曲（摆差），一般＜0.9mm，这种程度的弯曲变形是不用矫直的，通常采用修磨中心孔等办法，可将摆差修正到＜0.45～0.9mm后，直接进行后序加工。感应淬火后的曲轴如不进行矫直，对于提高曲轴疲劳寿命是很有利的。

当然，有些工厂生产曲轴，淬火变形很大，因此必须经过矫直处理，才能进行后序加工。此种情况有必要研究改进。

5）感应淬火设备可安装在生产线上，与机械加工设备同节拍生产。这种做法，可将在制品储备降为零，节省了流动资金和工序间的运输。

曲轴的轴颈及圆角感应淬火，能够提高曲轴的疲劳强度（见表2）。

3.2 半轴

载重载货汽车半轴也是典型的感应淬火零件，如图2所示。

图2 半轴零件结构及感应淬火技术要求

半轴是传递转矩的零件，汽车起动和制动时，半轴承受的转矩最大，因此最易造成半轴扭断。

中型载货汽车的半轴材料多为40Cr钢或40MnB钢，传统热处理工艺是调质。载货汽车调质半轴的平均行车寿命是11.7万km左右，公共汽车和无轨电车的半轴寿命更短。半轴热处理改用中频感应淬火后，平均行车寿命超过30万km。

半轴扭转疲劳台架试验数据见表3。由表3可看出，中频感应淬火的半轴与调质半轴相比，其疲劳极限提高了92%，平均扭转疲劳寿命提高了8倍。这样优异的表现，是半轴表面淬火所产生的残余压缩应力作用的结果。有关资料表明，中频感应淬火半轴表面残余压应力为350～550MPa，而调质半轴表面残余压应力为250～350MPa。

表3 中型载货汽车半轴扭转疲劳台架试验

中频感应淬火在半轴表面层产生的强大残余压应力，是提高半轴扭转疲劳寿命和疲劳极限的关键因素。

3.3 转向节

图3 某中型载重汽车的转向节结构

表4 转向节弯曲疲劳台架试验

由表4可知，轴颈和圆角局部感应淬火强化，能显著地提高转向节的弯曲疲劳强度。正火毛坯和调质毛坯的转向节，经中频感应淬火，与单纯调质转向节相比，其平均疲劳寿命分别提高了近10倍或20～100倍。

4 零件感应淬火自动化生产

在大型企业热处理生产中，许多汽车零件的感应淬火是在自动线上完成的。

许多汽车零件要求有综合力学性能，多表现为不同位置、不同区域的不同硬度要求和不同硬化层深度要求。为实现这种要求，需要采用感应淬火，可能用1只感应器，使用不同的淬火工艺参数（工艺参数是自动调整的），对零件的各局部位置可方便地进行淬火或回火。

还有，对于精度要求很高的零件，希望热处理变形很小，以便后序加工和大量生产，这种零件的热处理也要选择感应淬火。

感应淬火可以实现零件快速加热和冷却，便于实现零件表面淬火或局部淬火。因快速加热和冷却致使零件加热区域的热量既不能外传、也不能内传，所以对于淬火区域以外毫无影响。因此，感应淬火可称为精密淬火。

有时为了减小淬火变形，感应淬火可能是唯一选择。下面将举例说明。

4.1 等速万向节

等速万向节也称为球笼。它是轿车前驱动系统中的重要零件，其装在传动轴上，左右各一只，功能是以等角速度将发动机的动力传给车轮。

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等速万向节形状及其淬火层分布情况如图4所示。由图4可知，等速万向节的形状是很复杂的。其一端是个钟形壳（也称钟壳），另一端是花键轴。在钟形壳的φ60mm内球面上，等距离分布着6条弧形的球道。这种设计，使球笼的壁厚各处不等，最薄处仅5mm左右。

图4 等速万向节及淬火层分布

汽车起动和制动时，等速万向节要承受很大的转矩和冲击，因此其必须具有高的疲劳强度和冲击韧度。钟形壳内表面球道的工作面，还要有良好的接触疲劳强度（最大接触应力是2000～3500MPa）。为此，钟形壳内表面和花键轴外表面必须进行感应淬火处理。

该零件在研发阶段曾采用渗碳硬化。渗碳温度是950℃左右，整体热透，作为壳体形零件，变形必然是很大的，且无法校正，全靠后序的磨削加工来消除变形，因此加工十分困难。显然，渗碳硬化工艺不能用于大量生产。

等速万向节在感应淬火工艺开发成功后，大量地减小了淬火变形，其淬火变形值相当于渗碳淬火的1/10～1/20 。

等速万向节感应淬火时的快速加热，对减小淬火变形起到了关键作用。而为了实现快速加热，必须正确选择加热参数（电流频率及功率密度等），保证短时间内完成加热并建立良好的热形。

零件毛坯的形状精度也必须很高。零件毛坯一般由冷锻成形，要经过预先热处理，以保证毛坯的残余应力极小和晶粒细化。

另外，淬火要使用冷却性能良好的淬火冷却介质。

以上这些都是保证微小淬火变形的重要条件。

4.2 控制臂球座

图5所示为控制臂球座，是某型旅行面包车上的保安件，也是一个精密感应淬火零件。

图5 控制臂球座

控制臂球座的零件总成，对提高面包车的舒适性、稳定性和安全性都是非常重要的。

控制臂球座的形状是很复杂的。该零件总成是：一个轴颈φ22mm的球销，套上一个φ40mm的半球体，再装入球座中。行车时半球体与球座φ40mm内球面发生滑动摩擦，以保持车体稳定。φ40mm半球体一般是渗碳淬火件，硬度很高。为防止φ40mm内球面磨损，必须在其20m m的宽度上感应淬火（见图5），使其硬化。

该零件为小型壳体件，硬化部分壁厚6mm，销柄出口最薄处3mm。这种零件若采用渗碳淬火处理是不合适的，其原因如下。

1）这种零件的局部渗碳淬火是困难的。

2）即使采用复杂工序流程，实现了局部渗碳淬火，其淬火变形也很大。

3）由于该零件的壁厚仅3～6mm，因此渗碳淬火会使其韧性下降。

综上所述，感应淬火成了该零件内表面局部硬化的唯一选择。

感应淬火的技术要求：在φ40mm的内球面上，20mm宽度的淬火层要达到1.0～1.5mm，硬度达到55～63HRC，且淬火变形要极小，后序加工只是简单抛光。