零件結(jié)構(gòu)或表面質(zhì)量等因素導(dǎo)致的淬火裂紋

上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司 （201707） 江國清 林信智

在導(dǎo)致淬火裂紋的諸多因素中，零件結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量因素是主導(dǎo)因素。在零件的淬火區(qū)域內(nèi)，形狀復(fù)雜、尺寸突變或表面粗糙度不好時(shí)，在普通熱處理的淬火過程中就容易產(chǎn)生淬火裂紋。感應(yīng)淬火加熱速度快、冷卻激烈，這些結(jié)構(gòu)因素更容易引發(fā)淬火裂紋。在感應(yīng)淬火區(qū)域中如存在臺階、端頭、尖角、鍵槽、孔洞和油道等結(jié)構(gòu)，感應(yīng)加熱時(shí)能導(dǎo)致感應(yīng)電流集中，使該部位過熱、硬化層過深而產(chǎn)生淬火裂紋。這些結(jié)構(gòu)最好能進(jìn)行修正，例如把臺階或端頭的尖角去掉，孔洞的出口加上倒角等措施均能收到消除或減少淬火裂紋的效果。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸上的油道孔一般是斜的，在出口處造成了孔壁的厚薄不均，感應(yīng)淬火不僅在油孔周圍形成放射狀的淬火裂紋，而且在油道壁最薄的地方由于淬透而產(chǎn)生淬火裂紋，該裂紋向軸頸表面擴(kuò)展，到達(dá)表面時(shí)形成“C”形裂紋。即使不產(chǎn)生淬火裂紋，但在油孔的薄壁表面上能看到直徑5～7mm白色斑點(diǎn)，證明該處淬火加熱溫度相當(dāng)高了，蘊(yùn)育著裂紋的危險(xiǎn)。

1.轉(zhuǎn)向節(jié)臺階淬火裂紋

載重車轉(zhuǎn)向節(jié)的φ55mm軸頸及根部圓角和φ85mm臺階外圓均需感應(yīng)淬火，由于淬火工藝不當(dāng)，使φ85mm臺階倒角處的正下方硬化層太深，從而產(chǎn)生淬火裂紋。經(jīng)工藝調(diào)整使該處硬化層減薄，可消除淬火裂紋。

2.減振器軸端頭裂紋

減振器軸使用圓筒形感應(yīng)器加熱淬火，在其端頭容易出現(xiàn)裂紋，人們稱之為“掉角”或“耍圈”。減振器軸的技術(shù)條件規(guī)定全長淬火，淬火工藝稍有不當(dāng)，會(huì)使端頭硬化層太深，即產(chǎn)生淬火裂紋。解決辦法是改進(jìn)感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將感應(yīng)器有效圈兩端孔徑擴(kuò)大或?qū)⒂行偢叨葴p小，總之必須將零件端頭淬火層減薄，淬火裂紋即可消除。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸輪也出現(xiàn)過類似的裂紋。上述兩個(gè)例子的裂紋機(jī)理是相同的，都是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)因素使臺階和端頭的感應(yīng)電流集中（感應(yīng)電流的邊緣效應(yīng)強(qiáng)烈），使該處的加熱溫度高、加熱層深了，在后來的淬火冷卻時(shí)其表面層瞬間形成馬氏體薄層，而隨后的冷卻中，薄層下部的奧氏體組織不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楸热莞蟮鸟R氏體組織，并向外擠壓，使最初形成的馬氏體薄層受到擠壓而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力作用，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)剝落掉角。

圖1 孔洞附近的渦流及溫度分布

3.孔洞的邊緣裂紋

感應(yīng)淬火區(qū)域內(nèi)如有孔洞，在其邊緣將產(chǎn)生放射狀的淬火裂紋。汽車鋼板彈簧銷上的油孔、曲軸軸頸油孔及絞盤軸上銷孔，均發(fā)生過這種孔洞邊緣的淬火裂紋。由于孔洞存在，迫使感應(yīng)電流在孔洞的軸線兩側(cè)繞行，孔洞周圍的感應(yīng)電流的密度分布不均勻，在孔洞的軸線兩側(cè)渦流密度大，而與軸線垂直的孔洞兩側(cè)渦流密度小，于是前者成了高溫區(qū)，后者成了低溫區(qū)（見圖1）。由于孔洞周圍區(qū)域的加熱溫度不同，淬火組織轉(zhuǎn)變的過程也不同（有先有后），淬火后的硬化層厚度也不同，高溫區(qū)硬化層厚些，低溫區(qū)硬化層薄些，因此產(chǎn)生了組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，這種應(yīng)力是產(chǎn)生孔洞邊緣淬火裂紋的根本原因。再者孔洞結(jié)構(gòu)，使其邊緣的冷卻情況較其他部位更為激烈，進(jìn)一步增加了孔洞邊緣產(chǎn)生淬火裂紋的敏感性。

孔洞直徑越大，其邊緣溫度的不均勻性越大，淬火裂紋的傾向性地越大。高頻淬火時(shí)孔洞直徑大于3mm，中頻淬火時(shí)孔洞直徑大于5mm，就有出現(xiàn)孔邊淬火裂紋的危險(xiǎn)。防止孔洞邊緣淬火裂紋的辦法有：

第一種：孔洞打入銷子。在加熱前向孔內(nèi)打入低碳鋼銷子，銷子的頂面與孔邊表面相平。加熱時(shí)孔洞周圍電流密度均勻，溫度一致，可以有效地防止孔邊淬火裂紋的產(chǎn)生。由于鋼銷淬火后膨脹、取出困難，所以往往用純銅銷代替。這種辦法費(fèi)工費(fèi)料，只適合單件或小批量零件的淬火時(shí)采用。

第二種：孔洞內(nèi)塞入濕軟木銷或石棉繩。但不能改變孔洞周圍加熱溫度的不均勻問題，能適當(dāng)?shù)亟档涂锥催吘壍拇慊鹄鋮s速度，一定程度上可防止孔邊裂紋的產(chǎn)生，但不適合于大量生產(chǎn)。

第三種：堵有效圈對應(yīng)噴水孔（適用于同時(shí)淬火自噴水感應(yīng)器）。將與零件孔洞對應(yīng)的有效圈上噴水孔堵塞。這種辦法雖然不能改變孔邊的溫度不均勻性，卻能改善它的冷卻條件，變原來的噴水冷卻變?yōu)榱魉鋮s，降低了冷卻速度，從而在一定程度上防止了淬火裂紋的產(chǎn)生。這種辦法在汽車鋼板彈簧銷出現(xiàn)孔邊淬火裂紋時(shí)采用過，有較好效果。

第四種：在有效圈上對應(yīng)零件孔洞的地方鑲?cè)脒m宜尺寸的硅鋼片導(dǎo)磁體，如圖2所示。主要用于解決曲軸油孔的淬火裂紋和“C”形裂紋。當(dāng)曲軸使用分合式圓環(huán)感應(yīng)器淬火時(shí)，有效圈直徑較大，并有一定寬度和厚度，便于鑲?cè)雽?dǎo)磁體。

在有效圈上鑲?cè)牍桎撈瑢?dǎo)磁體，主要用于解決大曲軸的油孔淬火裂紋和“C”形裂紋，其原因是：①有效圈內(nèi)側(cè)鑲?cè)氲墓桎撈瑢?dǎo)磁體具有很高的磁導(dǎo)率，能把穿過油孔及其周邊區(qū)域的磁力線吸引出來，從而減少了該處感應(yīng)電流密度、降低了油孔周圍的加熱溫度，可減少或消除淬火裂紋。②為了鑲嵌導(dǎo)磁體，必須在有效圈內(nèi)側(cè)銑出一個(gè)長條形的溝，相當(dāng)增加了油孔附近的間隙，從而降低了油孔邊緣的加熱溫度，也能減少或緩解淬火裂紋的產(chǎn)生。③鑲嵌導(dǎo)磁體的地方設(shè)有噴水孔，能改善油孔附近的冷卻條件，這種辦法具有堵塞噴水孔的功能，在減少或消除淬火裂紋方面也有作用。如果設(shè)計(jì)上允許，淬火區(qū)域中的孔洞在其出口處加倒角，對防止淬火裂紋是有效的，而且倒角越大效果越好。

4.孔洞附近的“C ”形裂紋

淬火區(qū)域內(nèi)存在孔洞，有時(shí)在孔洞附近的軸頸表面上發(fā)現(xiàn)“C”形裂紋。有時(shí)它騎在油道孔之上，距離孔邊緣20～30mm，呈圓弧形，弧長有時(shí)高達(dá)30～40mm，這種裂紋在磨削時(shí)會(huì)有所發(fā)展，并以薄片形式剝落下來。

這種裂紋始于孔壁，如圖3所示。曲軸的油道孔是斜的（見圖2），油道孔的內(nèi)壁到軸頸表面的厚度各處不相等，在最薄的地方極易淬透，而且該處硬化層的厚度也大于其他任何部位，于是出現(xiàn)了相當(dāng)端頭硬化層太深導(dǎo)致裂紋的情況，在油道孔壁薄而淬透的地方出現(xiàn)了裂紋，它以薄片形式向表面擴(kuò)展，與表面相貫時(shí)形成了“C”形痕跡。

圖2 曲軸感應(yīng)器鑲?cè)雽?dǎo)磁體

曲軸油孔底部硬化層局部加深情況如圖4所示。

圖3 曲軸“C”形裂紋始于孔壁

圖4 曲軸油孔底部硬化層 局部加深

淬火區(qū)域的孔洞垂直于軸線時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生“C ”形裂紋。離合器踏板軸銷孔的左一半在淬火區(qū)域里（孔的左面是淬火區(qū)域），于是在孔的左側(cè)出現(xiàn)了“C”形淬火裂紋。手剎車蹄片軸的油孔在淬火區(qū)域中間，于是在油孔兩側(cè)出現(xiàn)了幾乎對稱的“C ”形裂紋，當(dāng)這兩條裂紋連起來時(shí)，形成一個(gè)桃形的薄片剝落下來。孔的軸線兩側(cè)硬化層加深，并在孔壁上首先產(chǎn)生裂紋，其擴(kuò)展到軸頸表面時(shí)形成“C ”形。

防止這種裂紋的辦法有：①嚴(yán)格控制硬化層深度。調(diào)整工藝參數(shù)，保證加熱層不能太深，尤其是孔洞處，使其硬化層深度不超過技術(shù)要求的上限，而其他部位硬化層深度應(yīng)在技術(shù)要求的下限。對于曲軸，除盡量減薄加熱層厚度以外，還應(yīng)控制材料的淬透性，使油孔處的硬化層深度減下來，是防止這種裂紋最有效的辦法。②在孔洞中打入銷子，堵對應(yīng)噴水孔或在感應(yīng)器上置入導(dǎo)磁體，對防止這種裂紋也有效果。③降低加熱比功率，減少加熱速度，增加傳熱效果，提高孔洞周圍的溫度均勻性，以及提高自回火溫度等，均能減少或消除這種裂紋。

5.花鍵底徑圓角太小引發(fā)的淬火裂紋

冷軋花鍵軸由于軋滾邊棱太尖（其圓角半徑R=0.1mm），在鍵槽底徑形成內(nèi)尖角，淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引發(fā)淬火裂紋。

同一種花鍵軸上，將軋滾的邊棱圓角半徑加大到R=0.8mm，在花鍵軸的橫剖面上能明顯地看出底徑圓弧，這時(shí)用相同的淬火工藝參數(shù)，得到相同的淬火硬度和硬化層深度，則不再產(chǎn)生淬火裂紋。

6.表面粗糙度太高引發(fā)的淬火裂紋

零件的表面粗糙度值太高，殘留的刀痕太深，均可能引發(fā)淬火裂紋。某種汽車半軸花鍵是滾銑成形的，新?lián)Q的滾刀刃鋒太尖，留下深達(dá)0.3mm的刀痕，它就是淬火裂紋的源頭。剖析多根半軸花鍵的齒面裂紋，無一例外，裂紋都是從刀痕的尖部開始，因此可以證明，刀痕引發(fā)了淬火裂紋。

某種汽車傳動(dòng)花鍵軸的圓錐面與軸頸之間的過渡圓角是車削成形，有時(shí)也留有較深的刀痕，故會(huì)引發(fā)淬火裂紋。（20131213）