小型鑄鐵曲軸整體感應淬火強化工藝的應用

（上海大眾動力總成有限公司，上海201807）

小型鑄鐵曲軸整體感應淬火強化工藝的應用

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司，上海201807）

感應淬火作為一種表面強化工藝雖很成熟，但迄今在小排量發動機鑄鐵曲軸圓角強化處理中仍然是空白。出于全方位考慮，近年已有國內企業成功地將這一工藝替代機械滾壓，用于強化工序。經過反復調整和優化工藝參數，并排除了各種缺陷之后，確保了運行的正常和產品的穩定。為了驗證這項新技術在生產中的可行性，著重介紹了如何通過對零件表面所形成的硬化層性狀的檢測來予以評價。

曲軸圓角強化感應淬火機械滾壓硬化層

1 前言

曲軸是發動機最重要的零件之一，在運轉中承受周期性變化的載荷，這些載荷不僅數值較大，故較容易引起曲軸的扭轉和彎曲變形，甚至產生裂紋和斷裂[1]。軸頸圓角是曲軸加工中難度最大，同時也是曲軸最容易出現裂紋的位置，對圓角進行強化處理，就是為了提高曲軸的疲勞強度[1]。感應淬火作為一項經典的熱處理工藝，用于曲軸的強化工序雖已很成熟，但迄今在小排量發動機球墨鑄鐵曲軸的圓角強化領域仍然還是空白。依靠多年來的經驗積累，以及與專業設備供應商之間的緊密配合，這一整體強化處理的空白已在上海大眾動力總成公司被填補。

2 整體感應淬火在小發動機鑄鐵曲軸中的應用

2.1 感應淬火在鑄鐵曲軸圓角強化的應用

事實上，對中、大功率發動機曲軸軸頸表面及圓角實施一次性、即整體感應淬火強化處理已有成功經驗[2]。但是，對于以鑄鐵材質為主、批量更大的小發動機曲軸，其強化區域既包含軸頸面又包含左右兩側圓角的弧形區域（參見圖1右）,相比上述中、大功率發動機的對應部位，此時有待強化的圓角半徑R更小，很多情況下R僅為1.2 mm，從而大大增加了對它們進行淬火加熱的難度。因為在采用淬火工藝時，若沒有精巧的圓角淬火感應器（淬火頭），及嚴謹的控制技術，就很難有效地對圓角進行可靠的強化處理。正因為面對這樣的難題，如圖1左所示的“軸頸面淬火+圓角滾壓”的表面強化處理方式，依然是此時采用的主流工藝[3]。

圖1 軸頸淬火+圓角滾壓和一次性淬火

在探索和實踐中還認識到，為了使軸頸表面和圓角一次性感應淬火技術（參見圖1右）真正能滿足批量生產的需要，還必須要解決諸多技術問題，如：（1）具體的工藝參數，包括淬火頻率、加熱時間、能量（主要為電壓），以及所有淬火頭的角度和與之相對應工件表面的間隙量等，藉此來提高淬火強化后零件狀態的穩定性；（2）通過對由設備供應商所配的圓角淬火頭、即專門設計的感應器各部分功能、作用的剖析，再結合相關的試驗，對感應淬火頭的硬件進行了一系列的結構優化，最終達到既節能、且結構優化，又有利于提高曲軸中最薄弱部位（最危險的部位就是從連桿頸的下止點到主軸頸的上止點這一最小截面）的強度；（3）在進行試驗過程中，曾很多次發現形態不一的淬火裂紋，這顯然是十分危險的一種情況，而只有準確地找出其發生的根源，才能杜絕此類隱患的發生。對以上情況中的前二項，體現了在推行這一新工藝中的經驗積累，主要由企業的工藝規劃和生產制造等部門牽頭完成，在本文中將不涉及這部分內容，另有專文[4]介紹。

2005年建立的上海大眾動力總成公司，在短短的七、八年間已從一期擴展到三期（相當于由1個分廠發展為3個），曲軸生產線也由建成時的1條增至6條。自2013年起，發動機也與德國大眾同步地從EA111升級為EA211，品種增至5種。在產品處于行業領先的同時，相應的制造技術也在國內外業界位于前列。鑒于企業在制訂生產工藝時十分強調尊重綠色制造原則，以及更好地為產品的輕量化服務的宗旨。企業決定在曲軸生產線推行“一次性感應淬火”的強化工藝，并最終需覆蓋所有的生產線。這不僅適用于采用球墨鑄鐵曲軸的自然吸氣式發動機，同樣也適用于采用鍛鋼曲軸的渦輪增壓發動機。

2.2 感應淬火曲軸表面出現裂紋的原因追溯

在2012年前后的試（小批）生產期間，在采用這種曲軸表面強化處理技術時，通過熒光磁粉探傷，曾多次發現在零件表面出現形態不一的裂紋。為此，通過成因追溯，并據此進一步對淬火工藝等方面進行有針對性的改進，取得了較好的效果。首先，所出現的裂紋可分為兩類：

（1）淬火裂紋，指的是在施行新的熱處理強化工藝后，在圓角（圖2a）及兩側止推面所出現的裂紋(圖2b）。

圖2 出現在圓角淬火強化區域的裂紋示例

（2）出現在主軸頸和連桿軸頸工作面上的有關部位的裂紋，如油孔附近的細微裂紋等，參見圖3。

圖3 軸頸表面油孔附近出現的裂紋

對圖2a和2b中產生淬火裂紋的分析表明，淬火過程中的能量過大是重要原因。球墨鑄鐵曲軸在淬火之后，在短時間內曲軸獲得大量熱量，在其內部會產生很大的內應力，由于鑄鐵材料本身強度有限，故而就有產生裂紋的趨勢。因此可以采取降低電壓來減少施加能量的方法，再輔以淬火延時，以減小微觀裂紋產生的機率。經反復調整、試驗，才確定了較合適的淬火電壓。而止推面上出現的裂紋也表明，還可以通過對相關部位結構的優化來改善。另一方面，當分析軸頸表面油孔附近產生裂紋的原因時，則追溯到了毛坯自身存在的問題。小排量發動機曲軸材質大多數采用球墨鑄鐵，80%左右。雖然球墨鑄鐵曲軸有不少優點，但相比鍛鋼毛坯還存在著不少缺點。鍛鋼的淬透性明顯好于球鐵，而且材料本身強度足夠高，故抵制裂紋趨勢的能力遠強于后者。二者的組織更是有很大的不同，球墨鑄鐵受鑄造成形的影響很大[5]。經調研、分析后可以確認，出現包括疏松、夾雜物、縮孔、球化不良等缺陷的主要原因是采取殼型鑄造方式，在模具沒有完全冷卻時直接進行澆鑄，導致疏松等缺陷的發生。之后，通過對毛坯質量的改進，以及優化了淬火液的濃度及溫度等，進一步改善了零件的制造質量、大大地降低了裂紋等缺陷。

3 表面強化處理零件的質量監控

3.1 相關標準制定及其應用

為了適應現代汽車制造業批量生產方式的需要，就必須以專業標準的形式，確立規范的技術指標和檢測方法。這樣就可在統一的基礎上，對那些重要零件表面，在經感應淬火、滲碳等熱處理工藝，以及噴丸、滾壓等強化處理后，以做出較為客觀的評價。

對于表面硬化處理技術，企業現今遵循的標準大致有兩類：（1）適用于所有經表面硬化處理的零件通用標準；（2）針對某些具體零件，如曲軸、齒輪等而制訂的專業標準。前者一般由國家或國際標準化組織（ISO）等機構提出，并相互借鑒、融合。如國際標準化組織于2002年推出的ISO 2639-2002《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，就是參照了英國國家標準BS 6479:1984后制訂的。我國在2005年發布的國標GB/T 9450-2005是在ISO 2639-2002的基礎上形成的，而稍后出現的行業標準JB/T 9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》其實是國標GB/T 9450內容的延伸。相比之下，后者中的那些針對性更強的專業標準，在國外基本上都是由一些大的企業集團，如德國大眾、法國雪鐵龍、美國通用等公司所制訂，且推出時間較前者晚。如大眾汽車的PV 1069-2013就是一個關于球墨鑄鐵曲軸經感應淬火后，對表面硬化層進行相關試驗的專業標準。但在國內，仍然是以國標或行業標準的形式出現，如GB/T 23339-2009“內燃機曲軸技術條件”。上述情況充分說明了自本世紀初以來，隨著對汽車產品不斷提升的安全性、節能、減排的需求，對該問題重視程度的持續提高。

一般情況下，國內大多數有外資背景的汽車主機廠或總成廠，都是執行其母公司的相應規定，并要求其配套件供貨廠商也必須遵照這些標準。而大部分國企和民企的主機廠、動力總成廠，則往往都是選用相應的國標，再結合自身的實際情況，然后制定出有針對性的檢測方法和評價指標，作為動力總成生產及監控關鍵零件質量的重要依據。不過，當他們在承擔一些外資企業的配套任務時，就如前所述的必須入鄉隨俗了。至于國內還有相當數量的專業零部件廠，則取決于它們所配套的主機廠或總成廠所提出的要求了。

3.2 關鍵零件表面強化質量的評定

圖4給出了發動機中曲軸以及變速器中齒輪等重要零件，在經過表面強化處理后，對其質量進行評定的步驟和主要內容，而曲軸只是發動機眾多關鍵零件中的一種。

圖4 工件表面強化處理質量的評價

在此需說明的是，對上述工藝過程的監測，本質上屬于對零件制造質量的一種評價。而圖4中的第一項“化學成分”卻取決于毛坯，因此這一指標雖然很重要，對表面強化處理的結果會有直接影響，但不是本文敘述的重點。至于其評定時的依據，國內外均有相應的標準予以明確規定，如德國大眾汽車的TL 124-2010就是一個主要針對發動機曲軸和軸承蓋等零件所用的球墨鑄鐵的標準。材料成分的分析、測試比較單一，生產廠也可借助公用實驗室或毛坯供貨廠商的相應測試手段。而工藝驗證指的是，企業對一項新工藝或制造技術在批量生產條件下的可行性進行的確認。就上述新的曲軸強化處理工藝而言，企業的職能部門將主要通過對于經強化處理后，在工件表面形成的硬化層的性狀，包括硬化層深度、硬度分布和金相組織等的測試，以及對結果的分析來進行評價。雖然，客觀地說另二種形態進行橫向比對試驗、再通過對獲得的實驗數據的分析，使最終獲得的驗證結論更具有說服力。

4 感應淬火后表面硬化層性狀的測試

4.1 執行專業標準，有效提高工件抗失效能力

如前所述，與國標GB/T 9450-2005這樣的通用標準相平行的、那些主要由歐美一些大企業集團推出的專業標準，在國內的應用也相當普遍，影響也很大。與前者相比，專業標準由于針對性更強，故其內容表述就更詳細和具體，雖然這對實際操作人員提出了更高的要求和更大的工作量，但與此同時也提升了評定的價值，特別是由此將能有效地提高工件的抗失效能力。按大眾汽車規定，務必參照相應的標準、即按照PV 1069-2013“感應淬火的球墨鑄鐵曲軸表面硬化層的相關試驗”專業標準的要求，對曲軸進行全面的檢測。圖5給出了被測試工件的受檢部位，由此可見其具有的全面、細致、科學的特點：如覆蓋了工件的所有區域，除了連桿軸頸、主軸頸這最重要的兩個部分外，包括軸端和和法蘭也被監控；還根據受力特點，分別對軸頸上、下兩個方位（即圖中的上和下）進行監測；至于圓角，還強調了務必測出對應（主軸頸或連桿頸）的左右兩處，參見圖6。圖中，左下和右上的圓圈處即為需對軸頸圓角進行檢測。

圖5 被測試曲軸的受檢部位示意圖

圖6 需要測試的圓角位置

表1是對試樣“（LT3.1）EA211 1.6l MPI”進行表面硬化層深度測試后的部分結果。從中可見，對于這一大類的球墨鑄鐵曲軸，硬化層的深度均要求控制在1.8～5.2 mm之間，其中第2檔連桿軸頸下止點位置硬度層深度不合格，僅為1.7 mm。而硬化層深度的確定則是按自表面以下一定距離開始，垂直于表面隔一定深度就利用顯微硬度測出一個維氏顯微硬度，至硬度值為某一定值時，該位置距表面的距離即為硬化層深度。該定義與GB/T 9450-2005的表述是一致的，只是通用標準中邊界規定值為450 HV，而在這里規定值為325 HV。至于打硬度時的間隔和逐點測試硬度時的負載由企業自定。

表1 曲軸表面硬化層深度的測試結果

圖7 硬度梯度曲線

4.2 強化處理后曲軸表面硬化層的測量

圖7是在硬化層深度范圍內逐點測試而繪制出來的硬度梯度曲線，縱坐標是硬度，橫坐標為深度。在曲線繪制完成后，根據前者即可確定后者，并對硬化層深度合格與否做出判斷，此處所選的圓角位置的實測值為1.7 mm，與合格線下限很接近。另外，對應的金相組織的評定也相當完善，除了需在報告中有如表1那樣的說明外，均要求附有各個被檢位置的金相圖。表2列出了本次試驗主角、即經過感應淬火強化處理后的三種來自于不同曲軸生產線的相同類型的球墨鑄鐵曲軸，分別對其表面硬化層金相組織進行了測試。

這里將以表2中“（LT3.1）EA211 1.6l MPI”曲軸為例，圖8為該曲軸的金相組織照片。圖中左圖是未進行腐蝕時的金相試驗結果，反映了試樣在常態下的組織形態，尤其是石墨球化的情況，顯然是很不錯的；而中間圖和右圖，則是用濃度為3%的硝酸對試樣腐蝕后產生的金相組織顯微圖，分別表示了淬火區域、非淬火區域，均符合設計要求。

圖8 對應的試樣的金相組織圖的示例

對表1和表2中的測試結果予以歸納，可以清楚地看出，本次以工藝驗證為目的的試驗主體，即本企業在生產中占產量80%左右的球墨鑄鐵曲軸，在采用了體式感應淬火的強化工藝后，其表面經過強化處理后的質量是可以保證的。實際上，通過表面硬化層性狀測試的結果已經充分表明，無論是過去三年多來的幾十份曲軸表面的硬化層檢測報告，還是近期為了獲取最新的狀態而專門進行試驗的數據、結果，都顯示出即使只是實測值相對稍微差些、處在下限附近的樣本數，事實上所占的比例也很小。

表2 三種曲軸感應淬火后硬化層的金相測試結果

另外需要說明是，在本文的第3.2小節中曾提到，在重要零件表面強化質量的評定內容中，應包括強化區域殘余應力的測試。國內外的一些專業人士也指出，“曲軸在采用感應淬火或機械滾壓等強化處理后，硬化層厚度和殘余應力等即為主要的評價指標”[6]。而事實上，近年來，這在汽車變速器齒輪這一類關鍵零件的質量監測中也確已體現出來，有的還被列為批量生產中受控的技術指標。如國內一家外資主機廠就明確規定，變速器主動齒輪在齒根處的殘余壓應力應在800 MPa以上，從動齒輪應為400 MPa以上。相比之下，曲軸雖是發動機中的關鍵零件，但其情況有很大不同，由于測試難度較齒輪大得多（特別是在圓角部位），加上即使是德國大眾這樣的大企業，迄今也并未給出相應的殘余應力的監控值。所以就是主流生產廠也只是在新產品開發階段（至多在相關零件的認可期間）進行殘余壓應力場的分析。與曲軸表面硬化層的情況完全不同，企業基本上不會將殘余應力這項工作與批量生產中的質量監控掛鉤。

5 結論

眾所周知，發動機是汽車的心臟，曲軸又是發動機的關鍵零件。因此，確保其有足夠疲勞強度的強化工藝的重要性是不言而喻的。而為了簡化生產流程、提高產品質量、降低制造成本，文中介紹了通過對經過一次性感應淬火所形成的表面硬化層的性狀測試，以驗證實施這一新的強化工藝的效果和可行性。二者均為眾多的同類企業提供了一個可以借鑒、參考的成功案例。

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Application of Induction Hardening Process for Full-scale Small Castiron Crankshafts

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain Co.,Ltd.,Shanghai 201807,China）

Despite a proven t echnique,induction hardening has never been widely used for strengthening castiron crankshaft fillets of small engines.However,a recent trial on using it to replace mechanical rolling has proved to be a success:crankshaft fillets being surface-treated through this technique,coupled with proper adjustments,optimized technical parameters and elimination of other defects,can meet required normal functions and product stability.This Paper focuses on how to evaluate the process by testing hardened layer properties of crankshaft fillets.

crankshaft,fillet strengthening,induction hardening,mechanical rolling, hardened layer

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.010

來稿日期：2016-06-05

朱正德（1945-），男，教授級高級工程師，主要研究方向為計量與檢測。