汽車萬向節中頻感應淬火裂紋的分析及防止措施

蘇以人

汽車萬向節中頻感應淬火裂紋主要發生在圓角區域。其產生原因是中頻感應加熱速度快，從而在淬火區與非淬火區形成的拉應力集中所致。由于堵孔致使圓角加熱不足，或不通孔過熱也會產生裂紋，可降低中頻感應淬火加熱速度，清除堵孔，采用合適不通孔口倒角，以減少裂紋的發生。

1. 概況

萬向節是汽車最重要的零件之一，在一些汽車制造廠生產的EQ140汽車轉向節中，中頻感應淬火裂紋是嚴重的質量問題。

萬向節如圖1所示。選用40Cr鋼，鍛造成形，毛坯要求硬度為241～285HBW，金相組織為回火索氏體1～4級。機加工后，軸頸、圓角及端面同時中頻感應淬火硬化，要求硬化區表面硬度為52～63HRC，硬化層深度為3～6mm，硬化層金相組織應為針狀或細針狀回火馬氏體（3～7級）。

熱處理工藝：調質處理是在井式爐中加熱，860℃×70min，在聚乙烯醇的質量分數為0.2﹪的水溶液中淬火冷卻，600℃×3h回火；采用圓柱形感應器連續中頻感應加熱表面淬火，中頻感應加熱電參數和淬火工藝參數見表1。

表1 中頻感應加熱電參數和淬火工藝參數

2. 試驗結果及分析

經磁力探傷檢查裂紋發生的位置：一是在圓角區域內，呈周向裂紋，如圖2所示；二是在盲孔口，呈徑向裂紋。前者裂紋件數占98.3﹪，周向裂紋長度一般在15～45mm范圍，無折疊等痕跡。

圖1 萬向節結構、中頻感應淬火應力分布示意

萬向節表面粗糙度為Ra=3.2～6.3μm。符合工藝的規定，周向裂紋在長度方向上與刀紋不重合。化學成分分析C、Si、Mn、Cr、S、P等元素含量均在標準規定范圍內。

金相組織分析結果表明，裂紋無氧化脫碳現象，裂紋斷口呈銀灰色，周向裂紋深度在硬化層內，小于1.5mm，硬化層為隱晶馬氏體，淬火區與非淬火區的過渡帶在圓角區域內，心部組織為均勻回火索氏體（3～4級）。對不通孔口徑向裂紋檢查，不通孔無倒角，有輕微過熱現象。

取5件無裂紋的萬向節，進行臺架試驗，結果見表2。其中有2件循環次數不到3×105次，在圓角區域內就開始產生裂紋，3件硬化層深度都小于1.5mm。

綜上所述，裂紋大多數都發生在圓角區域，屬于中頻感應淬火裂紋，與萬向節在中頻感應淬火前的狀態基本無關。影響萬向節中頻感應淬火裂紋產生的主要原因如下。

（1）拉應力集中 中頻感應淬火后，構成表面受壓、中間受拉或受壓的應力分布特點（見圖1）。拉應力峰值位置是在靠近硬化層內側處，或在硬化層結束的過渡區中。拉應力峰值位置和大小取決于以下幾點：①加熱速度越快，溫度梯度越大，則淬火層中的過渡層越小，拉應力峰值越大，且切向應力越大于軸向應力，其峰值位置越接近表面硬化層。②在零件表面淬火區域內截面積變化處，淬火時形成的拉應力集中，也可能使拉應力值接近或超過鋼的破斷抗力，從而產生淬火裂紋。③隨硬化層深度的增加，拉應力峰值位置向中心移動，拉應力峰值逐漸減小；反之，隨硬化層深度減少，拉應力峰值位置向表面移動，峰值逐漸增大。④零件在進行局部表面淬火時，表面存在著淬火區與非淬火區間的過渡帶，在靠近硬化區處形成拉應力峰值，因此在過渡帶不僅常產生淬火缺陷，甚至可能造成淬火裂紋。

（2）圓角加熱不足 萬向節連續感應加熱表面淬火時，由于堵孔等因素致使圓角加熱不足，造成圓角區域硬化層深度過小，或硬化區結束在圓角區域內，拉應力峰值集中在圓角區域，并接近表面。

（3）不通孔過熱 不通孔內側一半要求在硬化區內，為了保證圓角及端面在淬火加熱時達到正常淬火溫度，而不通孔口的溫度卻往往會偏高，甚至會過熱，如不通孔口無倒角，或倒角太小時，過熱的可能性更大。其結果：一是在淬火過程中形成應力過大；二是使該區內鋼的破斷抗力降低，容易導致淬火裂紋產生。

表2 萬向節疲勞壽命試驗結果

3.結語

萬向節連續中頻感應加熱表面淬火時，由于圓角加熱不足，硬化層深度淺（＜1.5mm），拉應力峰值大并趨近表面；淬火區與非淬火區間的過渡帶在圓角區域內，或在鄰近處，致使應力分布的最大拉應力峰值匯集在圓角區域內或鄰近處，各種拉應力峰值彼此互相接近，或相互交叉，甚至可能重合。可降低中頻感應淬火加熱速度，清除堵孔，以及采用合適不通孔口倒角等措施，以減少裂紋的發生。

圖2 裂紋發生位置