感應淬火汽車零件的材料、硬度及硬化層設計探討

■ 林信智

感應淬火的鋼號雖然越來越多，但作為結構鋼的中碳鋼和中碳低合金鋼仍是首選材料。感應淬火零件的表面硬度、硬化層深度和硬化層形狀，都與所用材料有關。而這些技術指標又與零件的力學性能相關聯。

一、感應淬火汽車零件的材料選用

感應淬火汽車零件常用的材料是中碳鋼或中碳低合金鋼。

汽車零件生產遵循低成本、高效率原則。而中碳鋼（或中碳低合金鋼）是比較廉價的鋼材。感應淬火在各種熱處理工藝中又是最節能、最環保、最廉價的熱處理工藝方法。中碳鋼零件經感應淬火后又能獲得優良的力學性能。因此，感應淬火的汽車零件定當大量應用中碳鋼材料。

1. 感應淬火汽車零件材料

（1）曲軸、凸輪軸、鋼板銷、變速撥叉、搖臂軸、輸出凸緣等多用45鋼制造。

（2）轎車轉向齒條、轉向閥套、輸入軸、飛輪齒圈用45鋼或40鋼制造。

（3）配氣系統的推桿、離合器撥叉用35鋼或40鋼制造。

（4）轎車輪轂軸承的內圈（法蘭軸）、外圈和鐘形殼（等速萬向節）多用55鋼或50鋼制造。

（5）輪轂軸、花鍵軸、半軸、轉向節、轉向輸入軸、傳動軸凸緣、三銷套等用40Cr、45Cr鋼制造。

（6）重型汽車曲軸、半軸、貫通軸、變速器輸出軸用42CrMo鋼制造。

（7）少數輪轂軸承內圈和外圈用滾動軸承鋼GCr15或彈簧鋼65Mn制造。

（8）輕型汽車（或轎車）的曲軸、凸輪軸，多用球墨鑄鐵（QT600—3、QT700—2）制造。

日本許多感應淬火汽車零件用35鋼制造，淬火冷卻介質為自來水，硬度可達到52~58HRC，能夠滿足使用要求，生產管理簡化，生產成本降低。

劉宗昌教授曾有論述：低碳鋼淬火得到位錯型的馬氏體，由于位錯是可以滑動的，正是這種滑動的位錯使馬氏體具有一定的塑性，因而斷裂韌性較高。而當wC>0.4%時，馬氏體的韌性降低了，變得硬而脆，即使經過低溫回火，韌性亦較差。也許這一闡述，正是日本汽車廠商感應淬火零件大量應用35鋼的理論依據。

以上是感應淬火的主要汽車零件材料情況。拖拉機、工程機械等感應淬火用鋼也基本如此。

2. 中碳鋼零件感應淬火后，能獲得高硬度，可提高零件的耐磨性

圖1顯示了鋼中碳含量與淬火硬度及耐磨性（磨損量）的關系。從圖中可知，鋼的碳含量越高，淬火后硬度越高，耐磨性越好（磨損量越?。?。許多零件采用感應淬火的目的是表面層獲得高硬度（心部仍然保持原有的低硬度），在保持零件韌性的前提下，提高了零件耐磨性。中碳鋼零件感應淬火后可獲得58~63HRC的高硬度，接近高碳鋼的淬火硬度，當然能獲得良好的耐磨性。

一般爐中加熱淬火的零件，能獲得很高的淬火硬度，特別是中小型零件。但這些心部淬透的高硬度零件往往不能直接使用，因為零件的心部具有高硬度后，將導致零件脆性大、韌性小，使用中很危險。然而感應淬火零件只是表面層高硬度，心部低硬度或很低硬度。因此，可以做到同一個零件既有高的耐磨性，又有高的強韌性。

前驅動轎車有個零件叫鐘形殼（等速萬向節），圖2是該零件的形狀和硬化層分布圖。零件的殼體內腔和花鍵表面需要感應淬火，硬化層均為2.5~3.5mm，硬度為60HRC左右。零件的上部為殼體狀，殼內有球道，轎車運行時，有鋼球在球道中滾動，實現了輸出端轉向并能傳遞轉矩，鋼球對球道產生巨大地壓強和磨損，為此球道必須經高頻感應淬火，使其具有高硬度，以便承受鋼球的壓力和磨損。殼體的最薄處厚度4.3mm左右，要求其內表面有厚度2mm左右的硬化層，剩余厚度必須保持較低的原始硬度。下方柄部是直徑24mm的花鍵，在其表層也需有2mm左右的硬化層（心部仍保持較低的原始硬度），使柄部花鍵有較高的耐磨性并有一定的強韌性。該零件的感應淬火，實現了高耐磨性和高強韌的完美結合，這是一個典型的感應淬火零件。所用材料一般為55鋼或50Cr。

圖1 鋼中含碳量與淬火硬度及耐磨性的關系

圖2 鐘形殼淬硬層分布

表1 感應淬火對40CrNiMo鋼疲勞性能的影響

表2 感應表面淬火對汽車半軸和轉向節疲勞性能的影響

3. 中碳鋼零件感應淬火后可獲得高的疲勞強度

中碳鋼零件感應淬火后可獲得高硬度的硬化層，而高硬度的硬化層存在著強大殘余壓應力，一般可達539~784MPa，這種殘余壓應力完全消除零件表面缺口對疲勞強度的有害作用（缺口類的缺陷，在機械零件中是普遍存在的），能大幅度地提高零件的疲勞強度。如表1所示。

感應淬火還可以提高零件疲勞強度，能夠顯著地提高零件的壽命。這一特點在承受疲勞載荷的載貨汽車零件中得到廣泛認可（見表2）。

表2數據表明，中頻感應淬火半軸的疲勞斷裂壽命是調質半軸的4.47倍。中頻感應淬火的轉向節的疲勞斷裂壽命是調質轉向節的21~128倍。

二、汽車零件感應淬火硬度設計

1. 常用鋼號感應淬火硬度

眾所周知，鋼制零件淬火硬度僅決定于用碳含量。根據鋼號的碳含量可以計算淬火硬度，下面介紹兩則計算硬度的公式。

1957年蘇聯齊良賓拖拉機廠工程師格爾布里斯基（И.Я.Горбульский）發表了根據鋼的碳含量，計算鋼的最大淬火硬度的公式：

1964年我國政府發布文件，說明當時及以前中國應用的鋼鐵洛氏硬度（HRC）是按蘇聯標準標定的，而蘇聯標準比國際標準低2HRC左右，為使硬度檢驗數據與國際接軌，必須將所有檢驗洛氏硬度（HRC）數據+2（以后生產的硬度計一律按國際標準標定）。因此，式（1）變為：

HRC=20+60（2C-1.3C2）＋2（2）

1994年我國四川瀘州長江挖掘機廠工程師趙振東在當年第五期《機械工人（熱加工》上發表另一則根據碳含量計算最大淬火洛氏硬度的公式：

筆者用式（2）、式（3）計算了感應淬火常用的8個鋼號的淬火硬度，發現計算的結果是相同的或相近的，而且與生產實際相吻合。這說明上述兩個公式有一定的正確性。如表3所示。

表中顯示了兩個公式計算的40、45、40Cr、42CrMo鋼的淬火硬度基本是相同的，其余鋼號的計算值是相近的，說明該公式有應用價值。

表3 感應淬火常用鋼號的計算硬度、實際硬度及淬火層深度

2. 汽車零件表面感應淬火硬度設計

汽車零件表面感應淬火硬度設計，是根據零件的使用功能、工況條件確定的，標注為洛氏硬度（HRC）。

我國某大型汽車企業的“企業標準”將感應淬火表面硬度，規定如下幾個等級：58~63HRC；55~63HRC；52~63HRC；52~58HRC；48~58HRC。

應用舉例：

（1）58~63HRC用于耐磨性要求很高的零件，如輪轂軸承內外圈（滾道）、鐘形殼、球頭銷等。

（2）55~63HRC用于耐磨性要求較高，對強度要求也較高的零件，如曲軸、凸輪軸、轎車半軸、鋼板彈簧銷、變速叉軸等。

（3）52~63HRC用于耐磨性要求一般、承受大扭矩、大彎矩負載的零件，如載貨汽車半軸、轉向節、貫通軸等。

（4）52~58HRC用于耐磨性要求一般、承受較高扭矩、較高彎矩負載的零件，如輕型汽車曲軸、轉向節、轎車輸出凸緣轎、半軸及車輪支架等。

（5）48~58HRC 用于感應淬火的25鋼、30鋼、35鋼及一些球墨鑄鐵制件。

選擇淬火硬度范圍不是越高越好，而是依能滿足功能需求、硬度適中為最好處。淬火硬度越高，淬裂的風險也越高。

歐美日等國的汽車零部件及工程機械零部件感應淬火硬度的設計，不追求極高的硬度，例如純承受磨損的變速叉、變速導塊、變速叉軸及輸出凸緣等零件，規定淬火硬度多為55~62HRC。挖掘機純承受磨損的零件支重輪、引導輪規定淬火硬度為50~58HRC或＞50HRC。極高端的硬度（58~63HRC）很少使用。承受扭矩并有一定耐磨性要求的轎車半軸及車輪支架等，規定硬度為52~58HRC。

歐洲、美國、日本廠家所以不追求極高的硬度值，就是擔心淬火硬度要求太高，淬火裂紋的風險也越高。它們將硬度范圍的下限分別定為50HRC、52HRC、55HRC，顯然這種下限硬度，也是能滿足零件需求的。這種選擇十分可貴，它為感應熱處理廠家提供了規避淬火裂紋的余地。

汽車零件感應淬火硬度范圍設定的科學性，由表3可知，任何鋼號的碳含量都有其上下限，自然對應了淬火硬度的上下限，且上下限之偏差為3.5~6HRC。感應淬火硬度的上下限的設定，實際是對應于鋼的碳含量范圍所形成淬火硬度的上下限。

三、汽車零件感應淬火硬化層設計

感應淬火一般均為表面淬火，即表面層淬火，當然要有硬化層深度的要求，硬化層深度也是感應淬火零件一個重要的技術指標。

對于兩類負載零件，有兩種硬化層設計考慮：

（1）對于主要為提高耐磨性的零件，其硬化層可以薄些，通常1~2mm即可。但有些零件，要在大修中重磨一次，如載貨汽車曲軸的硬化層要把重磨的磨量計算在內，載貨汽車曲軸硬化層一般規定為2~4mm。

（2）對承受彎曲、扭轉負荷的零件或疲勞負荷的零件，需提高它們的強度，特別是提高疲勞強度，需增加硬化層深度。一般說來硬化層深度加深，強度會提高。對于承受彎曲、扭轉或二者相結合的疲勞載荷的零件，硬化層面積應相當于零件橫截面積的20%左右，或硬化層深度約為直徑的10%，這樣可得到強度、疲勞強度和韌性的最佳配合。

還應該指出，隨著硬化層的加深，淬火變形也必然增大，尤其是軸類零件的彎曲（中間跳動），幾乎與硬化層的深度成正比。簡而言之，工件的硬化層深度的設定，應該以滿足功能需要為準則，過深的硬化層，不僅造成功能過剩，浪費能源，還可能產生其他工藝質量問題。

前蘇聯感應熱處理專家高洛文教授（Г.Ф.Головин）推薦了根據零件直徑確定硬化層深度圖（見圖3）。

筆者認為：圖3推薦的硬化層深度主要適用于耐磨零件，對于承受強力彎曲、扭轉及疲勞載荷的零件，圖中推薦的硬化層深度似乎淺了一些。

以下介紹汽車零件常用硬化層范圍（國家標準GB5617—1985規定DS代表有效硬化層深度）：①DS=0.5~1.0mm，主要用于耐磨損零件及直徑≤15mm的小軸、薄壁零件如搖臂軸及階梯零件的內圓角處等。②DS=1.0~2.5mm，主要用于耐磨損零件及直徑15~30mm的小軸，如鋼板彈簧銷、變速叉、變速導塊等。③DS=2.0~4.0mm，主要用于中型汽車的曲軸、輕型汽車轉向節、球頭銷、轎車的輸出凸緣和半軸等零件。④DS=3.0~5.0mm，主要用于重型汽車的曲軸、中型車轉向節、輕型車半軸等零件。⑤DS=4.0~7.0mm，主要用于中型車半軸。⑥DS=7.0~12mm，主要用于重型車半軸。

順便強調一下，盡管現在感應淬火設備的控制精度已經大幅度提升了，但就材料質量方面而言，仍有些不可控的因素（如成分偏析等）影響感應淬火的結果。因此，國內外的大型汽車企業均不對感應淬火的表面硬度值和硬化層深度值進行CPK值考核。同樣，其他種類熱處理工序產品也不進行CPK值考核。感應淬火零件的表面硬度和硬化層深度，只要達到技術要求就是優質件。個別軟點是可以忽略的。

不是每一袋化肥都叫天脊化肥。天脊集團在1987年9月18日生產出第一袋硝酸磷肥，使用硝酸分解磷礦生產的硝酸磷肥同時含有硝態氮和銨態氮，以及水溶性磷和枸溶性磷，還富含中微量元素和硝酸稀土，形成了大量元素養分與其他中微量元素的協同增效作用。這是其它化肥無可替代的。

圖3 硬化層深度與零件直徑的關系

四、含有內圓角的汽車零件硬化層設計

含有內圓角的汽車零件中，多數需要感應淬火。零件直徑的驟然增加或減小時，往往用內圓角加臺階過渡。所謂內圓角系指摳向（或挖向）零件體內部形成的角，其底部由圓弧過渡稱為內圓角。當然其底部也有清根的，稱為清根內角。與內圓角概念相對應是外圓角，通稱為楞角或棱角。感應加熱有個效應，叫“邊緣效應”或“楞角效應”，說的是感應加熱時外圓角處易“抓住”磁力線，且“抓住后輕易不放”，自然使外圓角處加熱速度快，加熱溫度高。內圓角在感應加熱時的表現與外圓角正好相反，即加熱升溫慢，加熱溫度低，甚至完全加熱不起來，因此內圓角建立硬化層很困難。盡管如此，有些零件根據工況需要，其內圓角必須感應淬火，且要有一定深度的硬化層。

內圓角感應加熱之所以困難，是由兩種原因造成的。①內圓角的兩個“邊”屏蔽了底部內圓角，使磁力線不能進入到圓角處，磁力線是封閉的圓環線，它具有能量，當它在接近圓角時，首先進入兩個邊，并在兩個邊上產生熱量并使其升溫。內圓角處沒有磁力線進入，自然不會產生熱量，內圓角的熱量全靠兩邊傳導過來。②內圓角處的熱容量遠大于其毗連部分（圓柱面和圓環面）的熱容量。假如，內圓角與其兩邊的毗連部分同時獲得相同的熱量，其升溫速度也要低于（或遠低于）其毗連部分。因此，內圓角的加熱層建立是困難的，自然硬化層的建立也很困難。高明的設計師尊重感應加熱的這個特點，堅持內圓角有硬化層，使危險截面的強度得以保證，但硬化層深度要減小，小到保證強度需要的最低值即可。于是，一個優秀設計產生了：內圓角處設定了較薄硬化層，但它可以滿足了零件強度的需要，又防止了為追求內圓角硬化層與其毗連部分等深度，而導致毗連部位硬化層過深或淬裂的不良后果。

感應淬火零件中，內圓角結構是大量存在的，國內的設計師一般不很了解感應加熱的特點，尤其不很了解內圓角的感應淬火的困難，沒有特殊關注，有時對內圓角硬化層隨意標注，給感應淬火加工帶來困難。下面舉幾個國外廠家的設計的實例。

1. 轎車輪轂軸的內圓角硬化層設計

圖4是某外國名牌轎車的輪轂軸，它的工況是很惡劣的，既要傳動大轉矩，還承受疲勞彎矩，它的危險截面就在圓角處。因此圓角處必須感應淬火，而且要有一定深度的硬化層，以保證零件強度和行車的安全。設計師也知道內圓角建立硬化層是很困難的，所以他將圓角硬化層減至0.5mm（最小），而其他部位分別要求為1.3~3.5mm和1.5~4.5mm。

2. 輸出法蘭軸的內圓角硬化層設計

圖5是外國品牌轎車的輸出法蘭軸硬化層設計，它的淬火區域內有兩階臺階，屬于階梯軸類的零件，在其淬火區域中自然含有兩個內角（清根退刀槽）結構，顯然右面第一個退刀槽處內角是危險截面，設計師知道這里要達到與軸頸相同的硬化層深度是困難的，將此處硬化層深度減了下來，注明硬化層≥1mm即可，其他部位硬化層要求為2.0~3.5mm。

將內圓角的硬化層深度適當減小，使整個零件淬火部位淬硬層連續起來，保證內圓角附近的軸頸表面淬火溫度不至于過高，硬化層不至于過深，從而提高了整個零件的強度，使零件獲得優良的力學性能。

圖4 某轎車的輪轂軸硬化層設計

3. 某輕型客車轉向節內圓角硬化層設計

該轉向節感應淬火區域有兩個內圓角，顯然下面的內圓角是危險截面，于是設計師明確要求，兩個內圓角都要有硬化層，下面的內圓角硬化層DS≥2mm，其余DS=2.5~4mm。

該轉向節感應淬火有兩個難點：①內圓角要有硬化層，很難達到設計要求。②中間外圓角的硬化層必須控制在DS≤4mm，否則易產生淬火裂紋。

這要求感應熱處理工程師必須設計出特殊功能的感應器，該感應器的特點：①對兩個內圓角的加熱是強烈的，使之加熱速度快，能迅速建立加熱層，經噴射冷卻形成硬化層。②該感應器對外圓角基本不要加熱，外圓角的升溫熱量主要是從兩內圓角熱量傳導過來和感應器散失磁力線的加熱獲得?？傊?，感應器的任何有效導線對外圓角不能有直接的加熱作用，否則外圓角將會升溫很快、溫度很高，硬化層定會超過規定，進而產生淬火裂紋。

上海恒精公司開發了輕型客車轉向節淬火技術。其硬化層照片如圖7所示。

4. 薄壁圓角結構硬化層設計

圖8是某外國品牌轎車的半軸，它實際是輸出凸緣和半軸的結合體，設計十分巧妙，簡化了結構，降低了成本。

然而，它卻將所有難題交給感應淬火：

（1）油封套部分，表面淬火硬度55~62HRC。油封套壁厚2~3.2mm，要求硬化層0.5~0.8mm，存在極易淬透的危險性。考慮到強度需要，根部小圓角也要淬火，硬化層≥0.2mm，此外其根部的淬硬層還要延伸到邊緣。

為完成上述要求，感應熱處理工程師必須選用高頻感應淬火，而且要設計出高效率的感應器，保證在極短的時間內，使薄壁→小圓角→圓環面的復雜結構同時完成淬火。

（2）軸桿部分，表面硬度55~62HRC，硬化層深度2.5~4.0mm。軸桿的硬化層要求深入到油封套內部。因此，必須設計特殊形狀的感應器，使感應器可以伸到油封套的里面，選用中頻感應淬火，才能實現軸桿部分的感應淬火的要求。

上海恒精公司開發了半軸淬火技術。

圖5 某轎車的輸出法蘭軸硬化層設計

圖6 某輕型客車轉向節硬化層設計

圖7 轉向節圓角處的硬化層

圖8 某國外轎車的半軸硬化層照片

五、結語

（1）感應淬火用鋼的型號越來越多，但作為結構鋼中的中碳鋼和中碳低合金鋼仍作為首選。

（2）感應淬火零件的硬度、硬化層深度和形狀（尤其內圓角的淬火層），是感應淬火三項重要的技術條件，必須嚴格遵循，保證實現。因為這些技術條件決定了零件的力學性能。

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