鐘形殼感應淬火裂紋的產生及其防止措施

■ 陳富全

等速萬向節是汽車傳遞轉矩到輪胎的重要部件，由變速軸端的滑動萬向節、輪胎端的固定萬向節及中間的傳動軸構成。

感應淬火件主要是鐘形殼，其淬火的部位是花鍵桿部及內球道，材質為55鋼。

圖1 501型鐘形殼

圖2 507型鐘形殼

圖3 501型鐘形殼淬火工藝圖樣

1. 鐘形殼感應淬火

內腔淬火電源頻率采用8kHz。電源功率選250kW加熱內腔球道時，外表面有輔助噴液器進行冷卻。

桿部淬火電源頻率采用12kHz，電源功率選160kW。

硬化層范圍：六槽淬火起始位置為0～5mm；花鍵端淬火起始位置為距端頭7.5～11mm。

內腔感應淬火：設備采用VC-100，感應器是雙圈一次加熱感應器，PAG淬火冷卻介質濃度10%、溫度14℃。工件有兩種型號：501型 、507型，兩種零件內腔尺寸相同，501型壁薄一些，實物如圖1、圖2所示。工藝圖樣分別如圖3、圖4所示，淬火工藝參數分別如表1、表2所示。

圖3、圖4中，技術要求C1處（距端口6mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬層深度（550HV1）1.0～2.6mm；C2處（距口部17mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬層深度（550HV1）1.5～3.0mm；C3處（距口部30mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬層深度（550HV1）1.0～2.6mm；A1（花鍵根部）、A2、A3、A4（花鍵根部）處表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC）；A1、A2、A4處有效淬硬層深度（550HV1）2.5～5.0mm；A3處有效淬硬層深度（550HV1）1.5～4.0mm。

兩種型號鐘形殼的金相組織3～6級（執行JB/T 9204—2008），淬火后表面無裂紋、燒傷、銹蝕。

回火工藝為（160±10）℃×3.0～3.5h。

2. 檢驗過程

按以上工藝生產501型鐘形殼共2750件，發現有1750件口部出現裂紋，其中口部縱向裂紋有1215件、口部橫向裂紋有535件，裂紋形態如圖5、圖6所示。

檢查發現，裂紋主要集中在鐘形殼口部，一種是縱向裂紋沿溝道端部向下，長3～6mm、深度2mm以下，另一種是橫向裂紋，長度4～8mm、深度2mm以下。桿部臺階處存在圓周裂紋，如圖7所示。裂紋件實測數據如表3所示。

檢驗結論如下：

圖4 507型鐘形殼淬火工藝圖樣

圖5 口部縱向裂紋形態

圖6 口部橫向裂紋形態

表1 鐘形殼501感應淬火工藝參數

表2 鐘形殼507感應淬火工藝參數

（1）裂紋處組織具有過熱傾向，該處淬火起始位置允許端頭處有5mm的非淬火區，而裂紋零件非淬火區為零，一直淬到端頭，端面硬化層達到了2.74mm，從而引起了端面淬火裂紋，因此端頭保留未淬火區可以從根本上避免發生鐘形殼六槽端面裂紋。

（2）從桿部內圓與六槽淬火組織看，多處位置的組織出現了過熱，形成了粗大的馬氏體組織，導致零件性能急劇惡化，極易在淬火時發生開裂。

（3）從臺階無裂紋的501與有裂紋的507型鐘形殼硬化層分布（見圖11、圖12）形狀對比可以看出，合理地設計感應器與工件位置關系，形成合理的硬化曲線，可以有效地避免裂紋的產生，提高感應淬火的質量水平。

根據以上檢驗結果，我們針對501型鐘形殼的內腔裂紋制訂了試驗方案：由于口部端面淬硬層深度＞3mm，因此減少口部淬硬層深度是關鍵，試驗方案是在其他參數不變的情況下，向下移動感應器，移動距離分別是1mm、2mm、3mm，各做2件，口部沒有發現裂紋，但移動至4mm時，靠近底部球道出現了裂紋。

內球道檢查結果如圖13～圖16所示。

圖13為有裂紋的切樣淬硬層形態，口部淬硬層深度達3.1mm，最易產生裂紋。

圖14是感應器向下移動1mm時的淬硬層形態，口部有較尖的淬硬層，裂紋傾向明顯減少。

圖15是感應器向下移動2mm時的淬硬層形態，口部有1mm的未淬硬區，這時口部不會產生裂紋。

圖16是感應器向下移動3mm時的淬硬層形態，口部有5mm的未淬硬區，這時口部6mm處監測點淬硬層深度不夠。

圖7 臺階處圓周裂紋

圖8 內圓尖角處組織（400×）

圖9 桿部臺階處組織（400×）

圖10 端面裂紋組織（400×）

圖11 501型臺階處硬化層

表3 裂紋件實測數據

圖12 507型臺階處硬化層

圖13 感應器未移動

圖14 感應器下移1mm時

圖15 感應器下移2mm時

圖16 感應器下移3mm時

生產試驗中，感應器移動2mm時各項指標合格。但繼續做40件，發現有兩件口部下邊產生裂紋，檢查淬火冷卻介質溫度為12℃、濃度6%，將淬火冷卻介質溫度調到22℃、濃度10%，檢驗合格后連續生產2400件，再無任何裂紋。

根據對501型鐘形殼的試驗結果，我們又針對507型鐘形殼臺階處呈圓弧狀裂紋制訂了如下試驗方案。

我們知道，感應加熱距離與加熱能量呈平方關系，因此調整感應器與臺階斷面的距離可以改變臺階處的淬硬層深度，移動距離分別是0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm，分別做2件。切樣檢查表面硬度和淬硬層深度，移動距離0.2mm時仍有一件開裂；移動0.4mm時無裂紋，各項指標均合格，靠近邊界金相組織3級；移動0.6mm時無裂紋，各項指標均合格。A3處淬硬層深度2.0mm，臺階處表面硬度61HRC，金相組織5級，各項指標處于安全范圍；移動0.8mm時無裂紋，各項指標均合格，A3處淬硬層深1.53mm，處于要求邊界。

按移動0.6mm的方案連續生產2400件，均無裂紋，試驗成功。

3. 結語

感應淬火裂紋主要與加熱溫度、淬硬層深及冷卻速度有關。合理的加熱溫度使金相組織盡量靠近合格（3～6級）的中間段（4～5級），淬硬層深在滿足要求的條件下盡量取下限。淬火冷卻介質必須嚴格控制濃度、溫度，在硬度滿足技術要求的情況下盡量降低冷卻速度，即提高淬火冷卻介質的溫度、濃度。另外，防止裂紋的常規措施也要加強，如完善倒角、去毛刺工藝等。