發動機曲軸感應淬火工藝

張立平，張學強，李永真

在國內主要的發動機主機廠、曲軸配件廠，感應淬火都已成為主要的曲軸強化手段，并在不斷擴大應用。曲軸采用感應淬火進行表面強化處理，技術和經濟指標非常理想。

1. 曲軸感應淬火優勢

（1）鋼曲軸經感應淬火+低溫回火（或自熱回火）后，與調質態相比可提高曲軸疲勞強度100%以上，同時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），而其他強化手段則難以同時達到以上兩項指標。

（2）感應淬火生產效率高，且感應淬火清潔及可按節拍生產，可直接安排在曲軸生產流水線上，節省物流費用和時間。

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

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

2. 感應淬火曲軸的材質

（1）曲軸材料 汽車曲軸常用材料有調質鋼42CrMo、35CrMo、40Cr、40MnB等，非調質鋼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，從而提高曲軸的強度，但其價格較高，而淬火開裂傾向大，需使用合適的淬火冷卻介質以避免淬火裂紋，故選材時應考慮滿足性能要求的前提下優先選球墨鑄鐵和非調質鋼，以降低生產成本。只要工裝合適、工藝合理、操作精確，無論是非調質鋼還是球墨鑄鐵曲軸，感應淬火都可實現技術要求。

（2）毛坯的預備熱處理 調質鋼調質處理可以得到細致均勻的組織，零件內應力較小，對感應淬火極有好處：淬火組織均勻、淬火變形和開裂傾向小。非調質鋼利用V、Ti等元素的加入細化晶粒，在大幅度降低生產成本的同時提高各項力學性能，但其在組織準備上不同于調質鋼，故在制訂感應熱處理工藝時要根據其組織特點加以分析。

球墨鑄鐵曲軸的預處理組織主要有正火態和鑄態兩種。正火處理可提高珠光體的含量，消除鑄造應力，組織也較均勻，再經感應淬火易得到組織、硬度均勻的淬硬層。鑄態球墨鑄鐵毛坯，鑄態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，對感應淬火工藝要求較高。因此，制訂工藝時要考慮不同的預備熱處理對感應淬火的影響。

3. 感應淬火的熱處理規范

（1）感應淬火工藝的制訂 要取得理想的效果，與加熱功率、工件的材料、控制間隙、加熱時間、冷卻時間、工件余熱、淬火冷卻介質的濃度及壓力等都有關系。對不同的材料應采用不同的參數，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、長時間加熱以及驟冷，加熱時間和冷卻時間應根據現場設備的實際狀況、工件淬硬層的要求而定。合金鋼和球墨鑄鐵曲軸中頻感應淬火的工藝參數見表1，僅供參考。

（2）感應淬火的技術要求 指標主要有：表面硬度、硬化區范圍、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：鋼曲軸為針狀或細針狀回火馬氏體，不應出現游離鐵素體；球墨鑄鐵曲軸允許在球狀石墨的附近有少量未溶鐵素體，但不能成環狀。

硬化層深度及表面硬度是獲得高疲勞強度的重要指標，都有一個最佳范圍，過高和過低都使疲勞強度降低。硬化層深度淺和表面硬度過低造成零件強度不足、耐磨性降低；反之當硬化層深度過深時，壓應力峰值從表面向內推移，表面壓應力降低，從而使強度降低。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度嚴重降低。常用鋼曲軸的淬火硬化層深度及表面硬度與疲勞強度的關系如圖1所示。

圖中所示硬化層深最佳范圍適用于φ55～φ90mm軸頸，其他軸頸應在此基礎上做出調整。在以提高耐磨性為主時，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油能力，曲軸表面硬度≥45HRC即具有足夠的耐磨性；疲勞強度要求高時，應以得到高而均勻的表面壓應力為主，對表面硬度則不過分追求。

（3）淬火后的回火 感應淬火后，表面的組織由珠光體轉變成馬氏體，致使工件存在殘余熱應力、組織應力，必須及時對工件進行回火處理，一般規定在4～8h內，否則會引起曲軸表面開裂。

表1 淬火工藝參數

圖1 硬化層深度及表面硬度與疲勞強度的關系

4. 感應淬火操作要領

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

（2）設計制造或選用感應器時，其結構形狀和尺寸應能滿足工藝要求。

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

（4）正確選擇電參數，使設備處于最佳工作狀態。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，否則特別易產生淬火裂紋。

（5）工件表面溫度的測量很重要，應采用光電高溫計或紅外輻射溫度計，連續跟蹤測量控制工件下料溫度，保持在150～220℃的余熱，及時調整設備工作參數，利用余熱實現工件的自回火，這也是防止淬火裂紋的關鍵措施。

（6）根據材料、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，包括冷卻方法、淬火冷卻介質及冷卻時間等。

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

5. 應用

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

下面是某型號的QT800-2四缸曲軸進行中頻感應淬火處理實例，其效果優于其他的表面熱處理。

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

（2）感應淬火的工藝規范 根據曲軸感應淬火的技術要求（見圖2），制訂感應淬火的工藝參數（見表2）。

（3）設備和工裝 設備是曲軸專用的半自動淬火設備，晶匣管中頻電源，馬鞍形感應器，濃度5%～8%PAG淬火冷卻介質。

（4）處理后的檢驗結果 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，淬硬區與側面的間距在5～6.5mm，淬硬區金相組織為馬氏體6～7級，無淬火裂紋；淬火+回火后徑向圓跳動量≤0.5mm（測量中間主軸頸），滿足技術要求。

表2 淬火工藝參數

圖2 球墨鑄鐵曲軸主軸頸淬火區