IE1671驅(qū)動(dòng)輪軸的感應(yīng)熱處理工藝

■ 孔春花，張實(shí)地，張沈潔，李瑞卿，劉進(jìn)營(yíng)

材料為IE1671驅(qū)動(dòng)輪軸（見圖1）是低速大扭矩軸，在車輛傳動(dòng)總成中起傳遞力矩驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的重要作用，為車輛的關(guān)鍵、安全件。由于感應(yīng)熱處理的特點(diǎn)（表面局部加熱），該零件在花鍵尾部和臺(tái)階的尖角處感應(yīng)加熱時(shí)，容易過熱，導(dǎo)致晶粒粗大，且由于該驅(qū)動(dòng)輪軸結(jié)構(gòu)較為特殊（R圓角淬硬層要求較深≥7mm；硬度≥47HRC、淬硬層深3～16mm有5處范圍要求、晶粒度≥5級(jí)、馬氏體含量≥90%等多項(xiàng)技術(shù)要求），在保證淬硬層深的同時(shí)也容易過熱，導(dǎo)致R圓角部位晶粒粗大，端頭螺栓孔處距齒根部0.6mm易淬透，也容易使冷卻時(shí)冷速較快，相變應(yīng)力、熱應(yīng)力較大，再加上該材質(zhì)淬透性又好，因此淬火時(shí)變形開裂傾向較大。

為解決這一難題，對(duì)該種驅(qū)動(dòng)輪軸中頻感應(yīng)淬火的工藝進(jìn)行研究，通過電參數(shù)、工裝夾具設(shè)計(jì)和感應(yīng)淬火工藝優(yōu)化等一系列試驗(yàn)工作，研究出了一套適合該驅(qū)動(dòng)輪軸生產(chǎn)的最佳工藝方案，降低了廢品率，同時(shí)達(dá)到高質(zhì)量、低成本、低能耗的綠色制造目標(biāo)。

圖1 材料為IE1671驅(qū)動(dòng)輪軸示意

表1 驅(qū)動(dòng)輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

一、技術(shù)要求

材料及其工藝為：所用材料IE1671相當(dāng)于我國(guó)的30CrMnMoB，其化學(xué)成分分析如表1所示。取樣部位、不同位置之不同深度處硬度測(cè)量及金相組織分別如圖2、圖3所示。

技術(shù)要求：①DB4.0。②H1、H2、H3處≥47HRC。③淬硬層深度，H1段：7～16 mm；H2段：7～12 mm；H3段：3 mm；位置A處≥7mm。

圖2 驅(qū)動(dòng)輪軸零件取樣部位圖

二、感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

1. 工藝方案的確定

所用感應(yīng)器為圓環(huán)感應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。感應(yīng)器內(nèi)徑φ178mm，感應(yīng)器下端附一噴水圈。

圖 3

（1）淬硬層深度 零件的淬硬層深度與采用的電源頻率的大小、零件的移動(dòng)速度、加熱功率、感應(yīng)器間隙的大小以及是否預(yù)熱等有關(guān) IE1671驅(qū)動(dòng)輪軸中頻感應(yīng)淬火所采用中頻電源設(shè)備為：8000Hz、160kW。采用中頻感應(yīng)淬火工件淬硬層深度一般在2～4mm，故采用中頻感應(yīng)淬火該驅(qū)動(dòng)輪軸時(shí)，要想達(dá)到7～16mm的淬硬層深度，用傳統(tǒng)淬火工藝存在很大難度。為此，只能從淬火工藝方面加以考慮來解決設(shè)備和零件本身所不能解決的問題。

（2）零件的移動(dòng)速度 在其他條件不變的情況下，零件移動(dòng)速度與其淬硬層深度成反比，即零件的移動(dòng)速度越快，其淬硬層深度越淺；零件的移動(dòng)速度越慢，其淬硬層深度越深；針對(duì)該零件，若采用中頻感應(yīng)淬火應(yīng)減慢零件的移動(dòng)速度，但零件的移動(dòng)速度太慢，會(huì)導(dǎo)致零件淬火溫度過高、零件淬火組織粗大、花鍵易淬裂等問題出現(xiàn)，故應(yīng)通過試驗(yàn)，調(diào)試出一合適的零件移動(dòng)速度，以滿足其7～16mm的淬硬層深度技術(shù)要求。

（3）加熱功率 在其他條件不變的情況下，零件的加熱功率越大，其淬硬層深度越深；反之，零件的加熱功率越小（在零件能達(dá)到淬火溫度的前提下），其淬硬層深度越淺。

（4）感應(yīng)器間隙的大小 感應(yīng)器間隙越大，加熱速度越慢，零件達(dá)到相變溫度的時(shí)間就越長(zhǎng)，因而其淬硬層深度也就越深；反之，其淬硬層深度越淺。

（5）其他 零件的加熱是由表面向心部傳熱淬火時(shí)得到了淬硬層深度，而中頻感應(yīng)淬火是由次表層向外表面?zhèn)鳠岽慊饡r(shí)得到了一定的淬硬層深度。如果先預(yù)熱再實(shí)施連續(xù)加熱淬火，這樣能使零件透燒時(shí)間延長(zhǎng)，淬硬層就會(huì)深一些，且表面溫度也不會(huì)過高。

圖4 IE1671驅(qū)動(dòng)輪軸中頻感應(yīng)淬火用感應(yīng)器

2. 電參數(shù)的確定

（1）變壓比 根據(jù)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)后取20∶1。

（2）電參數(shù) 經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)后，電源電壓：U=500～600V；電流：I=100～120A；電容C設(shè)置在設(shè)備的1、3、6檔（左起）；功率因數(shù)：cosφ=1。功率大小：P花鍵取60kW；P光軸取65kW；功率表指數(shù)：9∶40。水壓：儀表讀數(shù)為10格。基準(zhǔn)（零位）：-534（80kW）。

（3）淬火方式 選用連續(xù)式加熱淬火，噴液冷卻的淬火方式。淬火冷卻介質(zhì)選用1%聚乙烯醇。

（4）驅(qū)動(dòng)輪軸優(yōu)化后工藝編程如下（本試驗(yàn)編程號(hào)為1001，具體如下）：

N10 S7

N20 G0 X-86

N30 S2

N40 G4 F3.2

N50 G1 X-152 F300

N60 G1 X-196 F400

N70 G1 X-293 F300

N80 G1 X-485 F400

N90 G4 F0.7

N100 G1 X-534 F500

N110 S2

N120 G4 F19

N130 S4

N140 G4 F16

N150 S2

N160 G4 F19

N170 S4

N180 G4 F16

N190 S2

N200 G4 F24

N210 G1 X-479 F400

N220 G4 F1

N230 G1 X-472 F185

N240 S5

N250 G1 X-337 F185

N260 G4 F0.5

N270 G1 X-293 F185

N280 G4 F1.5

N290 G1 X-152 F185

N300 G4 F2

N310 G1 X-128 F270

N320 G1 X-86 F250

N330 G4 F1.2

N340 S4

N350 G1 X-50 F500

N360 G4 F13

N370 G1 X-80 F500

N380 G4 F28

N390 S6

N400 S8

N410 G0 X0

N420 M2

三、淬火后金相組織檢測(cè)

淬火后的零件經(jīng)磁粉無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。淬火后的零件的淬硬層深度檢測(cè)結(jié)果如表2、圖5所示。

淬火后零件硬度的檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

淬火后零件的金相組織如表4、圖6所示。

表2 驅(qū)動(dòng)輪軸淬硬層深

表3 驅(qū)動(dòng)輪軸硬度值

表4 驅(qū)動(dòng)輪軸淬火后的零件的金相組織

圖 5

圖 6

四、結(jié)語

（1）從生產(chǎn)的425件驅(qū)動(dòng)輪軸零件的感應(yīng)淬火件中隨機(jī)抽檢85件，測(cè)得淬火硬度值為51～54 HRC；硬化層深度為3～16mm（5處范圍要求），晶粒度≥5級(jí)，馬氏體含量≥90%，符合產(chǎn)品圖樣對(duì)零件的熱處理技術(shù)要求。

（2）所研究成功的淬火工藝、工裝和成套淬火裝置，可推廣應(yīng)用于同類驅(qū)動(dòng)輪軸的中頻感應(yīng)淬火，且編程、操作方便實(shí)用，淬火過程簡(jiǎn)單可靠，一旦工藝確定，整個(gè)淬火過程具有可靠的重現(xiàn)性，可確保淬火結(jié)果和淬火質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)感應(yīng)設(shè)備的拓展應(yīng)用也獲得了進(jìn)一步的提升。

（3）通過對(duì)該驅(qū)動(dòng)輪軸感應(yīng)淬火工藝研究發(fā)現(xiàn)，材料為國(guó)外牌號(hào)IE1671（相當(dāng)于30CrMnMoB），wCr=0.5%時(shí)淬透性較強(qiáng)，直接影響淬硬層深，即淬透性與淬硬層深成正比；同一種材料相同層深的條件下，加熱與冷卻間隙時(shí)間過短會(huì)造成硬度過高且組織粗大；通過化學(xué)成分檢測(cè)，本次試樣的wC=0.31%，針對(duì)本項(xiàng)目3309和3310卡特驅(qū)動(dòng)輪軸不同批次碳含量的偏差直接影響淬火硬度，即相同狀態(tài)、相同工藝下含碳量與硬度成正比。

（4）該研究成果可歸屬于感應(yīng)淬火領(lǐng)域內(nèi)一向具有突破性進(jìn)展的試驗(yàn)工作。在熱處理生產(chǎn)過程中，淬火機(jī)床越來越得到廣泛的應(yīng)用，能夠使我們?cè)诟痈咝Ш途_的質(zhì)量控制下，生產(chǎn)出符合環(huán)境保護(hù)要求、安全的高質(zhì)量零件。

[1] 孔春花，馬春慶，張沈潔，等.拖拉機(jī)動(dòng)力輸出從動(dòng)軸的感應(yīng)淬火 [J].金屬熱處理，2010，35（6）：125-128.

[2] 沈慶通.感應(yīng)熱處理問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3] 李瑞卿，張沈潔，孔春花，等.不同結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪軸零件的感應(yīng)淬火工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2015（S2）：126-129.

[4] 張沈潔，李瑞卿，孔春花，等.42CrMo鋼驅(qū)動(dòng)輪軸的感應(yīng)熱處理工藝[J]. 金屬熱處理，2016，41（1）：43-47.

[5] 林信智.汽車零部件感應(yīng)熱處理工藝與裝備[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1998：158-166.