感應淬火對42CrMo鋼曲軸連桿軸頸組織性能的影響

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(1. 桂林電子科技大學 機電工程學院， 廣西 桂林 541004； 2. 桂林福達股份有限公司， 廣西 桂林 541199)

曲軸是發動機最重要的零部件之一，工作時連桿軸頸將活塞氣缸的往復運動轉變成自身的旋轉運動，主要承受著交變彎曲和扭轉力的作用以及沖擊載荷的作用。因此，曲軸連桿軸頸表面需要具有較好的耐磨性和較高的疲勞強度，生產中主要通過感應淬火來提高連桿軸頸表面性能[1-3]。

感應淬火過程中，曲軸連桿軸頸表面迅速加熱至奧氏體化溫度，再迅速冷卻生成馬氏體組織，從而達到強化表面的效果[4-5]。多年來，已有較多學者對表面感應淬火工藝及強化機理進行了研究，梁耀等[6]研究了感應淬火對高硼鐵基合金組織和性能的強化機理，發現淬火后硬度和耐沖擊性能顯著提升；Lin[7]對SPCC鋼進行感應熱處理，研究發現感應熱處理后的材料耐腐蝕性、表面硬度、抗拉強度等得到了改善。部分學者針對感應淬火過程中產生的殘余應力進行研究，發現淬火后表面產生殘余壓應力，對表面具有強化作用，會使表層硬度提高[8-11]；Jung 等[12]研究發現淬火冷卻過程中，會產生一個包含熱應力和相變產生的組織應力的殘余應力，材料表面呈壓應力狀態，近表面壓應力降低，逐漸轉變成拉應力；黃慧茹等[13]探究了淬火硬度、組織及殘余應力之間的關系，研究發現馬氏體轉變越充分，殘余壓應力越大；馬氏體硬度大，混合組織硬度降低。諸多學者通過研究發現感應淬火可以提高材料的性能，但是結合實際生產設備及工藝來研究感應淬火的強化機理從而獲得適應當前生產的高性能工藝參數的相關研究較少。

本文基于實際生產工藝，研究了不同淬火功率感應淬火處理對42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面組織和性能的影響，結合微觀組織、殘余應力、淬硬層形貌、顯微硬度和耐磨性等方面進行分析，旨在探索優化的感應淬火工藝。

1 試驗材料與方法

1.1 材料的選擇及預處理

以42CrMo圓鋼坯料為試驗材料，化學成分如表1所示。將圓柱鋼坯經1200 ℃保溫0.2 h后模鍛成形(四拐乘用車曲軸，長度小于1.6 m)，再經過調質處理。淬火工藝：加熱到850 ℃保溫1.5 h，在PAG淬火液中冷卻至室溫；回火工藝：加熱到600 ℃保溫2.5 h，然后在空氣中冷卻至室溫。

表1 42CrMo鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

曲軸連桿軸頸表面感應淬火處理采用的是TQKC/Q-120-7曲軸數控淬火機床，其中感應器為半圈鞍式感應器，基于實際生產的工藝參數制定試驗參數，如表2所示，淬火介質為PAG淬火液，淬火液濃度為8%，淬火水壓為0.5 MPa，淬火液溫度為室溫。利用STRESS3000 G3 X射線應力分析儀進行軸頸表面軸向殘余應力檢測，選擇測點位置，各點分別測量3次，取平均值。利用光學顯微鏡和GeminiSEM300掃描電鏡進行微觀組織觀察。采用HVS-1000A型維氏硬度計進行顯微硬度檢測，沿截面深度方向每隔0.3 mm 深度測量一次，同一深度測量3次，取平均值(載荷0.98 N，保荷時間10 s)。耐磨性的優劣通過磨損量來衡量，使用CFT-1型高速往復摩擦磨損試驗機進行表面耐磨性試驗，試驗前后分別進行稱量，差值即為磨損量；加載載荷為 40 N，試驗時間為 30 min，運行速度為 200 t/m，往復長度為 4 mm，采樣頻率為 1 Hz。

表2 42CrMo鋼曲軸感應淬火工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 感應淬火對連桿軸頸截面顯微組織的影響

42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面感應淬火處理后截面顯微組織分布以淬火功率2500 W為例，如圖1所示。由圖1可知，連桿軸頸截面可分為淬硬層、過渡層和基體3部分。淬硬層組織為細小均勻的針狀馬氏體組織；過渡層為馬氏體和回火索氏體的混合組織，還夾雜有鐵素體和殘留奧氏體；基體組織為回火索氏體。這是因為感應淬火過程中連桿軸頸表面溫度迅速升高，隨著熱傳導的作用，連桿軸頸截面不同深度呈現出不同的溫度梯度，淬硬層峰值溫度高，組織完全奧氏體化，在快速冷卻中轉變為馬氏體組織；過渡層峰值溫度降低，發生部分組織轉變；基體部分溫度低于相變溫度，未發生組織相變，保持原始組織狀態。

圖1 經2500 W感應淬火后42CrMo鋼曲軸連桿軸頸的顯微組織(a)軸頸截面；(b)淬硬層；(c)過渡層；(d)基體Fig.1 Microstructure of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal after induction hardening with power of 2500 W(a) rod journal section; (b) induction hardened layer; (c) transition layer; (d) substrate

圖2 42CrMo鋼曲軸連桿軸頸的殘余應力檢測結果(a)測點位置；(b)表面殘余應力分布Fig.2 Residual stress detection results of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal(a) detection position; (b) surface residual stress distribution

2.2 感應淬火對連桿軸頸表面殘余應力的影響

利用STRESS3000 G3 X射線應力分析儀對曲軸連桿軸頸表面殘余應力進行檢測，測點位置如圖2(a)所示。點1和點7位于過渡圓角最低處，其余5點均勻分布在連桿軸頸表面。淬火功率為2500 W時殘余應力檢測結果如圖2(b)所示，未經感應淬火處理，連桿軸頸表面殘余應力為拉應力，過渡圓角為壓應力；經2500 W感應淬火處理后，連桿軸頸表面殘余拉應力轉變為壓應力，且應力變化幅度大，圓角處殘余壓應力增加較少。點4位置處殘余壓應力達到最大值，為-875.5 MPa，點2和點6處的殘余壓應力相對較小，分別為-552.9 MPa和-509.8 MPa。這是因為淬火冷卻初期，連桿軸頸表面冷卻速度快，表層受冷收縮，心部對其有阻礙作用，此時表層為拉應力，心部為壓應力；當表層溫度低于馬氏體轉變溫度，在受到熱應力的同時會發生組織轉變導致膨脹，產生相變應力，此時，表面為壓應力，心部為拉應力。點4位于淬硬層中心，相變應力集中，壓應力大，點2和點6位于端部，應力會有所釋放。

2.3 感應淬火功率對淬硬層形貌及深度的影響

利用有限元法模擬連桿軸頸表面感應淬火過程，得出了不同淬火功率感應加熱的溫度場分布，如圖3所示，并結合臨界轉變溫度和非平衡狀態組織轉變規律得到42CrMo鋼的奧氏體化溫度為807 ℃[14]，繪制等溫線得到截面淬硬層形貌。圖4為試驗所得的截面淬硬層形貌，由圖3和圖4對比可知，實際淬硬層形貌與仿真形貌相似。

曲軸連桿軸頸截面淬硬層深度試驗結果如表3所示，可知淬硬層深度隨著感應淬火功率的增加逐漸增加。當淬火功率達到2300 W時，淬硬層深度為2.27 mm；而當淬火功率為2600 W時，淬硬層深度則增加到3.26 mm。這是因為隨著感應淬火功率的增加，感應淬火溫度升高，在加熱時間相同的條件下，加熱速率增大，在熱傳導作用下心部溫度快速升高，達到42CrMo鋼的奧氏體化溫度的深度增加，故淬硬層深度增加。

圖3 不同感應淬火功率下42CrMo鋼淬硬層形貌仿真結果Fig.3 Simulation results of hardened layer morphologies of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

根據42CrMo鋼的奧氏體化溫度以及加熱結束時連桿軸頸表面至心部的溫度分布完成了淬硬層深度的預測[15]，結果見表3，與試驗結果相比，相對誤差小于8%，說明所建立的有限元模型可以有效地預測淬硬層深度，溫度場分布也是可靠的。

圖4 不同感應淬火功率下42CrMo鋼的淬硬層形貌Fig.4 Morphologies of hardened layer of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

表3 不同感應淬火功率下42CrMo鋼淬硬層深度測試結果

2.4 感應淬火功率對淬硬層顯微組織的影響

淬火功率對42CrMo鋼連桿軸頸表面淬硬層顯微組織的影響如圖5所示。隨著淬火功率的增大，淬硬層中馬氏體組織先細化后粗化。當感應淬火功率為2300 W時，馬氏體組織部分粗大且分布不均；當感應淬火功率為2500 W時，馬氏體組織更為細小均勻；但是當感應淬火功率增加到2600 W，部分馬氏體尺寸有所增大。這是因為隨著感應淬火功率的增大，淬火溫度升高，過熱度變大，奧氏體晶核不僅僅會在鐵素體和碳化物相界面形成，而且可能會在鐵素體的亞晶界上形成，從而使得奧氏體的形核率增大，在相同的加熱時間條件下，形核率越大，晶粒由于來不及生長，從而導致晶粒細化。但是當功率過大，加熱速度越快，奧氏體的初始晶粒越細，在隨后的保溫過程中，其長大的傾向就越大，更加容易形成粗晶粒，即組織粗化。

圖5 不同感應淬火功率下42CrMo鋼的淬硬層顯微組織Fig.5 Microstructure of hardened layer of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

2.5 感應淬火功率對連桿軸頸表面硬度和耐磨性的影響

42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面硬度隨著淬火功率的變化如圖6所示。由圖6可知，表面硬度較基體硬度顯著提高，隨著感應淬火功率的增大，表面硬度先增加后減小，當功率為2500 W時，硬度最大，達到了751.3 HV0.1，是基體的2.55倍；但當功率過高會導致硬度降低，當功率為2600 W時，表面硬度有所降低。這是由于經表面感應淬火處理，連桿軸頸表面發生了相變，生成了高強度、高硬度馬氏體組織，淬火功率為2500 W時，馬氏體組織最為細小均勻，因此表面硬度更高。這一規律同2.4節中顯微組織變化相一致。

圖6 感應淬火功率對42CrMo鋼表面硬度的影響Fig.6 Effect of induction hardening power on surface hardness of the 42CrMo steel

圖7所示為感應淬火功率對42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面磨損量的影響規律，隨著感應淬火功率的增加，磨損量先減小后增加，當淬火功率為2500 W時，磨損量最小，耐磨性最高。這是因為淬火功率為2500 W時，表面硬度最高，故磨損量最小，耐磨性最高。

2.6 感應淬火功率對連桿軸頸截面顯微硬度的影響

感應淬火功率對42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面顯微硬度分布的影響如圖8所示，由圖8可知，沿截面深度方向，最大顯微硬度出現在表面，隨著深度的增加，截面顯微硬度先緩慢降低，再快速下降，最后趨于穩定。現以感應淬火功率2500 W的試樣為例分析淬硬層截面顯微硬度的變化原因。截面深度在2.1 mm以內，此時為淬硬層，峰值溫度高，組織轉變充分，馬氏體含量高，硬度大，隨著深度的增加，冷卻速度降低，晶粒尺寸有所增大，硬度略有降低；當淬硬層深度超過2.1 mm時，此時為過渡層，峰值溫度低，組織部分轉變，馬氏體含量偏低，硬度下降明顯；當深度超過3.0 mm時，未發生組織轉變，其組織主要為回火索氏體，硬度與基體保持一致。

圖7 感應淬火功率對42CrMo鋼表面磨損量的影響Fig.7 Effect of induction hardening power on surface wear loss of the 42CrMo steel

圖8 不同感應淬火功率下42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面顯微硬度分布Fig.8 Sectional microhardness distribution of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal under different induction hardening powers

3 結論

1) 經感應淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面由淬硬層、過渡層、基體3部分組成。淬硬層組織為細小均勻的針狀馬氏體；過渡層組織主要由馬氏體和回火索氏體組成，還含有少量的鐵素體和殘留奧氏體；基體組織為回火索氏體。

2) 經感應淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面殘余應力從拉應力轉變為壓應力。最大壓應力位于連桿軸頸表面中間位置處，淬火功率為2500 W時，最大殘余應力為-875.5 MPa。

3) 42CrMo鋼的淬硬層深度隨著感應淬火功率的增加呈非線性增加。淬硬層深度的試驗結果與仿真結果相近，可以通過仿真技術模擬感應淬火過程。

4) 隨著感應淬火功率的增加，42CrMo鋼的淬硬層組織先細化再粗化，當功率為2500 W，馬氏體組織最為細小均勻；但是當功率增加為2600 W時，馬氏體組織有所粗化。

5) 經過表面感應淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面硬度大幅提高。當淬火功率為2500 W時，表面硬度最大，達到了751.3 HV0.1，磨損量明顯減少，耐磨性顯著提高；當其淬硬層深度超過2.1 mm，截面顯微硬度明顯降低；當淬硬層深度超過3.0 mm，截面硬度和基體硬度保持一致。