感應淬火技術在汽車零部件上的應用

劉又紅，楊帆，林信智

上海恒精感應科技有限公司 上海 201707

1 序言

誕生于20世紀初的感應淬火技術，因具有節能、環保、優質和高效等諸多優點，在現代機械制造業中得到了廣泛應用，特別是汽車工業[1]。在20世紀40年代前后，中型載重汽車上只有曲軸、凸輪軸及軸銷等近30種零件應用感應淬火技術，其余零件均采用常規熱處理強化（如調質、滲碳等）[2]。20世紀50～60年代以來，感應淬火（或加熱）技術以銳不可擋之勢，不斷攻占常規熱處理陣地，以某新式中型載貨汽車為例，其感應淬火零件的品種幾乎增加了1倍，達到60余種，感應淬火零件總重量近300k g，幾乎占全部熱處理零件重量的一半以上。

2 感應淬火是最節能的熱處理方法之一

我國某地單項熱處理工序能耗綜合測量的結果見表1。

表1 單項熱處理工序耗能情況比較

從表1可看出，在16種單項熱處理工藝中，感應（高頻、中頻）淬火的能量消耗量是最低的，只相當于高溫回火的能量消耗，而其余13種熱處理方法（除中低溫回火外），每噸熱處理零件的能量消耗分別是高（中）頻淬火的2～20倍。眾所周知，機械零件熱處理的成本中，能量消耗的費用占60%～80%，因此節電就是效益，這是所有熱處理廠家的共識。

下面以某型汽車轉向拉桿球頭銷為例進行說明。

轉向拉桿球頭銷是汽車上最重要的保安件之一，其傳統材料是20CrMnTi鋼，熱處理工藝是滲碳淬火，若改為45鋼，中頻感應淬火，則材料及熱處理費用可節省38%以上，按每輛車4件、年產10萬輛汽車計算，其效益非常可觀。

3 感應淬火可提高零件的力學性能和使用壽命

下面以汽車發動機曲軸、半軸、轉向節為例進行說明。

3.1 發動機曲軸

汽車發動機曲軸是最早應用感應淬火取代調質的零件之一。也是感應淬火應用最為成功的零件之一。圖1所示為某大型載重汽車曲軸的零件結構。由圖1可知，其有6個連桿軸頸及7個主軸頸需要中頻感應淬火。

圖1 圓角淬火的大型汽車曲軸結構

汽車發動機曲軸早期的熱處理是調質，中碳鋼曲軸的調質硬度為20～25HRC，合金鋼曲軸的調質硬度為30～35HRC，調質曲軸的力學性能并不理想，主要的失效原因是耐磨性較差。1920年，美國俄亥俄州克拉克機軸公司，首先將發明不久的感應淬火技術用于曲軸軸頸硬化，軸頸的表面硬度提高到50HRC以上。此舉，明顯地提高了曲軸的耐磨性，且大幅度地提高了曲軸的工作壽命。到20世紀30年代，美歐各大汽車制造廠普遍應用了這一技術。當時曲軸淬火使用的是分合式圓環感應器。

50年代中期，德國人發明了“C”形感應器，用于曲軸淬火。該感應器也稱“半圈感應器”。用半圈感應器淬火的方法，也稱“依洛森法”（Elotherm）。該方法是將半圈感應器扣在軸頸上，曲軸在旋轉中加熱和冷卻（淬火）。這種方法不僅方便了感應器在曲軸上方的進出，簡化了淬火操作，同時也解決了用圓環感應器淬火時，經常出現的曲軸油孔淬火裂紋和淬火區域寬窄不均等質量問題。因此，業內人士普遍認為，依洛森淬火法是曲軸感應淬火技術的一大進步。到1955年前后，毆美各國生產的汽車發動機的曲軸，普遍采用了這一方法進行表面淬火。

依洛森淬火法還可以實現軸頸及軸頸圓角的同時淬火，因此可以顯著地提高曲軸的疲勞強度和使用壽命。有資料表明，曲軸軸頸感應淬火，可將曲軸的工作壽命提高到8000h。當曲軸的軸頸及圓角同時淬火后，曲軸的工作壽命可以提高到10000h以上。

目前，國內各大型汽車發動機工廠生產的曲軸，幾乎全部使用“依洛森法”淬火。現將該方法的優越性簡述如下。

1）曲軸的軸頸和圓角感應淬火后，可獲得≥600MPa的殘余壓縮應力，曲軸的疲勞強度因此而大幅度提高。

2）大量節能。現以某發動機曲軸為例，該軸質量為43kg，而各軸頸進行感應淬火的質量僅為4.3kg左右，占曲軸整體質量的1/10。顯然，曲軸軸頸的表面感應淬火，與曲軸整體透熱淬火相比，是大量節能的。

3）生產效率高。以某45Mn鋼曲軸為例（6連桿軸頸和7個主軸頸），感應淬火的工藝時間僅0.1h，而其他任何種類熱處理的工藝時間均在1h以上（見表2）。

表2 各種熱處理工藝對曲軸疲勞強度的影響

4）淬火變形小。對于曲軸而言，普通熱處理變形是嚴重的，矯直也是困難的。而只有感應淬火的曲軸，變形是很小的。

經過毛坯調質的大中型曲軸，其連桿軸頸及主軸頸，是分別進行感應淬火的。整根曲軸的各軸頸感應淬火后，測量中間主軸頸的彎曲（擺差），一般＜0.9mm，這種程度的彎曲變形是不用矯直的，通常采用修磨中心孔等辦法，可將擺差修正到＜0.45～0.9mm后，直接進行后序加工。感應淬火后的曲軸如不進行矯直，對于提高曲軸疲勞壽命是很有利的。

當然，有些工廠生產曲軸，淬火變形很大，因此必須經過矯直處理，才能進行后序加工。此種情況有必要研究改進。

5）感應淬火設備可安裝在生產線上，與機械加工設備同節拍生產。這種做法，可將在制品儲備降為零，節省了流動資金和工序間的運輸。

曲軸的軸頸及圓角感應淬火，能夠提高曲軸的疲勞強度（見表2）。

3.2 半軸

載重載貨汽車半軸也是典型的感應淬火零件，如圖2所示。

圖2 半軸零件結構及感應淬火技術要求

半軸是傳遞轉矩的零件，汽車起動和制動時，半軸承受的轉矩最大，因此最易造成半軸扭斷。

中型載貨汽車的半軸材料多為40Cr鋼或40MnB鋼，傳統熱處理工藝是調質。載貨汽車調質半軸的平均行車壽命是11.7萬km左右，公共汽車和無軌電車的半軸壽命更短。半軸熱處理改用中頻感應淬火后，平均行車壽命超過30萬km。

半軸扭轉疲勞臺架試驗數據見表3。由表3可看出，中頻感應淬火的半軸與調質半軸相比，其疲勞極限提高了92%，平均扭轉疲勞壽命提高了8倍。這樣優異的表現，是半軸表面淬火所產生的殘余壓縮應力作用的結果。有關資料表明，中頻感應淬火半軸表面殘余壓應力為350～550MPa，而調質半軸表面殘余壓應力為250～350MPa。

表3 中型載貨汽車半軸扭轉疲勞臺架試驗

中頻感應淬火在半軸表面層產生的強大殘余壓應力，是提高半軸扭轉疲勞壽命和疲勞極限的關鍵因素。

3.3 轉向節

圖3 某中型載重汽車的轉向節結構

表4 轉向節彎曲疲勞臺架試驗

由表4可知，軸頸和圓角局部感應淬火強化，能顯著地提高轉向節的彎曲疲勞強度。正火毛坯和調質毛坯的轉向節，經中頻感應淬火，與單純調質轉向節相比，其平均疲勞壽命分別提高了近10倍或20～100倍。

4 零件感應淬火自動化生產

在大型企業熱處理生產中，許多汽車零件的感應淬火是在自動線上完成的。

許多汽車零件要求有綜合力學性能，多表現為不同位置、不同區域的不同硬度要求和不同硬化層深度要求。為實現這種要求，需要采用感應淬火，可能用1只感應器，使用不同的淬火工藝參數（工藝參數是自動調整的），對零件的各局部位置可方便地進行淬火或回火。

還有，對于精度要求很高的零件，希望熱處理變形很小，以便后序加工和大量生產，這種零件的熱處理也要選擇感應淬火。

感應淬火可以實現零件快速加熱和冷卻，便于實現零件表面淬火或局部淬火。因快速加熱和冷卻致使零件加熱區域的熱量既不能外傳、也不能內傳，所以對于淬火區域以外毫無影響。因此，感應淬火可稱為精密淬火。

有時為了減小淬火變形，感應淬火可能是唯一選擇。下面將舉例說明。

4.1 等速萬向節

等速萬向節也稱為球籠。它是轎車前驅動系統中的重要零件，其裝在傳動軸上，左右各一只，功能是以等角速度將發動機的動力傳給車輪。

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等速萬向節形狀及其淬火層分布情況如圖4所示。由圖4可知，等速萬向節的形狀是很復雜的。其一端是個鐘形殼（也稱鐘殼），另一端是花鍵軸。在鐘形殼的φ60mm內球面上，等距離分布著6條弧形的球道。這種設計，使球籠的壁厚各處不等，最薄處僅5mm左右。

圖4 等速萬向節及淬火層分布

汽車起動和制動時，等速萬向節要承受很大的轉矩和沖擊，因此其必須具有高的疲勞強度和沖擊韌度。鐘形殼內表面球道的工作面，還要有良好的接觸疲勞強度（最大接觸應力是2000～3500MPa）。為此，鐘形殼內表面和花鍵軸外表面必須進行感應淬火處理。

該零件在研發階段曾采用滲碳硬化。滲碳溫度是950℃左右，整體熱透，作為殼體形零件，變形必然是很大的，且無法校正，全靠后序的磨削加工來消除變形，因此加工十分困難。顯然，滲碳硬化工藝不能用于大量生產。

等速萬向節在感應淬火工藝開發成功后，大量地減小了淬火變形，其淬火變形值相當于滲碳淬火的1/10～1/20 。

等速萬向節感應淬火時的快速加熱，對減小淬火變形起到了關鍵作用。而為了實現快速加熱，必須正確選擇加熱參數（電流頻率及功率密度等），保證短時間內完成加熱并建立良好的熱形。

零件毛坯的形狀精度也必須很高。零件毛坯一般由冷鍛成形，要經過預先熱處理，以保證毛坯的殘余應力極小和晶粒細化。

另外，淬火要使用冷卻性能良好的淬火冷卻介質。

以上這些都是保證微小淬火變形的重要條件。

4.2 控制臂球座

圖5所示為控制臂球座，是某型旅行面包車上的保安件，也是一個精密感應淬火零件。

圖5 控制臂球座

控制臂球座的零件總成，對提高面包車的舒適性、穩定性和安全性都是非常重要的。

控制臂球座的形狀是很復雜的。該零件總成是：一個軸頸φ22mm的球銷，套上一個φ40mm的半球體，再裝入球座中。行車時半球體與球座φ40mm內球面發生滑動摩擦，以保持車體穩定。φ40mm半球體一般是滲碳淬火件，硬度很高。為防止φ40mm內球面磨損，必須在其20m m的寬度上感應淬火（見圖5），使其硬化。

該零件為小型殼體件，硬化部分壁厚6mm，銷柄出口最薄處3mm。這種零件若采用滲碳淬火處理是不合適的，其原因如下。

1）這種零件的局部滲碳淬火是困難的。

2）即使采用復雜工序流程，實現了局部滲碳淬火，其淬火變形也很大。

3）由于該零件的壁厚僅3～6mm，因此滲碳淬火會使其韌性下降。

綜上所述，感應淬火成了該零件內表面局部硬化的唯一選擇。

感應淬火的技術要求：在φ40mm的內球面上，20mm寬度的淬火層要達到1.0～1.5mm，硬度達到55～63HRC，且淬火變形要極小，后序加工只是簡單拋光。

4.3 傳動軸滑叉

圖6所示為傳動軸滑叉，也是某型面包車傳動軸總成的一個零件。 由于其是傳輸動力的零件，因此必須具有一定強度；它在變速箱支承套中快速旋轉（最高轉速3000r/min），又有橡膠油封裝在φ35mm外圓上，故該零件的軸頸表面又有高硬度和高耐磨性的技術要求。

圖6 傳動軸滑叉

滑叉是具有內花鍵套筒的叉形零件，內花鍵是模數1的漸開線花鍵，齒頂圓φ23m m，齒根圓φ25.2mm，最小壁厚5mm，材料為45鋼。

為使該零件具有一定的強度，設計規定毛坯進行調質處理，要求硬度為207～241HBW。內花鍵是采用拉削加工的，由于毛坯硬度高，因此加工困難，不斷出現打斷拉刀的現象。后來雖然毛坯硬度下降到179～217HBW，但內花鍵拉削加工仍較困難。最后，采用正火毛坯，可以較順利地拉削出花鍵。

為提高零件強度和使用壽命，在套筒外圓的薄層上進行感應淬火，淬火層0.8～1.2mm，表面硬度55～63HRC。淬火后內花鍵基本不變形，塞規進出自如，外圓留出0.02～0.04mm的余量，可輕易完成磨削。顯然，傳動軸滑叉外表面薄層感應淬火，使零件滿足了技術要求。

5 結束語

感應淬火技術因具有節能、環保、優質和高效等諸多優點，在現代制造業中得到了廣泛應用，特別是在汽車零部件熱處理方面，隨著數字化、智能化的發展，先進感應淬火裝備的應用和發展，作為綠色環保先進技術，必將為汽車零部件的性能和使用壽命帶來突破性的提高。