发动机曲轴感应淬火工艺

张立平，张学强，李永真

在国内主要的发动机主机厂、曲轴配件厂，感应淬火都已成为主要的曲轴强化手段，并在不断扩大应用。曲轴采用感应淬火进行表面强化处理，技术和经济指标非常理想。

1. 曲轴感应淬火优势

（1）钢曲轴经感应淬火+低温回火（或自热回火）后，与调质态相比可提高曲轴疲劳强度100%以上，同时大大提高轴颈表面的耐磨性（淬火+回火硬度可精确控制在50～55HRC），而其他强化手段则难以同时达到以上两项指标。

（2）感应淬火生产效率高，且感应淬火清洁及可按节拍生产，可直接安排在曲轴生产流水线上，节省物流费用和时间。

（3）仅曲轴对轴颈等需要淬火硬化的表面部位加热，而且电效率高、时间短，较其他热处理能耗降低80%以上。

（4）由于加热范围小、时间短，使处理的曲轴变形小、氧化脱碳少，可以减少精加工余量，降低机加工的工作量等。

2. 感应淬火曲轴的材质

（1）曲轴材料 汽车曲轴常用材料有调质钢42CrMo、35CrMo、40Cr、40MnB等，非调质钢48MnV等，以及球墨铸铁等。材料中Cr、Mo等合金成分可显著提高材料的淬透性，从而提高曲轴的强度，但其价格较高，而淬火开裂倾向大，需使用合适的淬火冷却介质以避免淬火裂纹，故选材时应考虑满足性能要求的前提下优先选球墨铸铁和非调质钢，以降低生产成本。只要工装合适、工艺合理、操作精确，无论是非调质钢还是球墨铸铁曲轴，感应淬火都可实现技术要求。

（2）毛坯的预备热处理 调质钢调质处理可以得到细致均匀的组织，零件内应力较小，对感应淬火极有好处：淬火组织均匀、淬火变形和开裂倾向小。非调质钢利用V、Ti等元素的加入细化晶粒，在大幅度降低生产成本的同时提高各项力学性能，但其在组织准备上不同于调质钢，故在制订感应热处理工艺时要根据其组织特点加以分析。

球墨铸铁曲轴的预处理组织主要有正火态和铸态两种。正火处理可提高珠光体的含量，消除铸造应力，组织也较均匀，再经感应淬火易得到组织、硬度均匀的淬硬层。铸态球墨铸铁毛坯，铸态组织中珠光体含量一般在75%～85%，铁素体较多，要得到理想的淬火组织，对感应淬火工艺要求较高。因此，制订工艺时要考虑不同的预备热处理对感应淬火的影响。

3. 感应淬火的热处理规范

（1）感应淬火工艺的制订 要取得理想的效果，与加热功率、工件的材料、控制间隙、加热时间、冷却时间、工件余热、淬火冷却介质的浓度及压力等都有关系。对不同的材料应采用不同的参数，如合金钢的韧性好，适合大功率加热和快速冷却，而球墨铸铁是脆性材料，不适合大功率、长时间加热以及骤冷，加热时间和冷却时间应根据现场设备的实际状况、工件淬硬层的要求而定。合金钢和球墨铸铁曲轴中频感应淬火的工艺参数见表1，仅供参考。

（2）感应淬火的技术要求 指标主要有：表面硬度、硬化区范围、硬化层深度、金相组织、淬火变形量以及淬火裂纹等。

淬火硬化层金相组织：钢曲轴为针状或细针状回火马氏体，不应出现游离铁素体；球墨铸铁曲轴允许在球状石墨的附近有少量未溶铁素体，但不能成环状。

硬化层深度及表面硬度是获得高疲劳强度的重要指标，都有一个最佳范围，过高和过低都使疲劳强度降低。硬化层深度浅和表面硬度过低造成零件强度不足、耐磨性降低；反之当硬化层深度过深时，压应力峰值从表面向内推移，表面压应力降低，从而使强度降低。硬度过高带来的危害是明显的，它使零件的脆性增加，在曲轴受到弯扭疲劳载荷及冲击力的情况下强度严重降低。常用钢曲轴的淬火硬化层深度及表面硬度与疲劳强度的关系如图1所示。

图中所示硬化层深最佳范围适用于φ55～φ90mm轴颈，其他轴颈应在此基础上做出调整。在以提高耐磨性为主时，表面硬度可以取高至55HRC左右；而球墨铸铁具有良好的自润性及储油能力，曲轴表面硬度≥45HRC即具有足够的耐磨性；疲劳强度要求高时，应以得到高而均匀的表面压应力为主，对表面硬度则不过分追求。

（3）淬火后的回火 感应淬火后，表面的组织由珠光体转变成马氏体，致使工件存在残余热应力、组织应力，必须及时对工件进行回火处理，一般规定在4～8h内，否则会引起曲轴表面开裂。

表1 淬火工艺参数

图1 硬化层深度及表面硬度与疲劳强度的关系

4. 感应淬火操作要领

（1）待处理件表面应无裂纹、缺陷、毛刺、油污及脱碳层等，否则淬火后易产生淬火裂纹、烧伤工件、硬度不够等缺陷。

（2）设计制造或选用感应器时，其结构形状和尺寸应能满足工艺要求。

（3）感应器与工件在处理过程中，应保持合适的相对位置，控制间隙在1.5～2.5mm。

（4）正确选择电参数，使设备处于最佳工作状态。钢曲轴选择功率在（100±5）kW，球墨铸铁曲轴选择（75±5）kW。钢曲轴可以用较高的功率处理，因其有好的延展性，适合淬火；球墨铸铁是脆性材料，适合较低功率淬火，否则特别易产生淬火裂纹。

（5）工件表面温度的测量很重要，应采用光电高温计或红外辐射温度计，连续跟踪测量控制工件下料温度，保持在150～220℃的余热，及时调整设备工作参数，利用余热实现工件的自回火，这也是防止淬火裂纹的关键措施。

（6）根据材料、工件形状、尺寸以及加热方法和所要求的硬化层深度，合理确定冷却参数，包括冷却方法、淬火冷却介质及冷却时间等。

（7）球墨铸铁曲轴的圆角不适宜淬火强化，硬化层应离开圆角3～6mm，使硬化区与非硬化区交界处的残余拉应力远离圆角，以提高疲劳强度，防止圆角处应力过度集中而引起早期非疲劳断裂。

5. 应用

球墨铸铁曲轴的感应淬火加圆角滚压，被越来越多的曲轴生产厂家所采用，该复合强化工艺的合理使用会提高曲轴的疲劳强度，且极大地改善表面粗糙度和耐磨性，可操作性强。

下面是某型号的QT800-2四缸曲轴进行中频感应淬火处理实例，其效果优于其他的表面热处理。

（1）加工流程 金属型铸造→正火处理→高温去应力回火→粗加工→一次无损检测→感应淬火→中温回火→二次无损检测（检测淬火裂纹）→精加工。

（2）感应淬火的工艺规范 根据曲轴感应淬火的技术要求（见图2），制订感应淬火的工艺参数（见表2）。

（3）设备和工装 设备是曲轴专用的半自动淬火设备，晶匣管中频电源，马鞍形感应器，浓度5%～8%PAG淬火冷却介质。

（4）处理后的检验结果 曲轴淬火后各轴颈的淬硬层为3.0～4.0mm，淬火+回火后表面硬度45～52HRC，淬硬区与侧面的间距在5～6.5mm，淬硬区金相组织为马氏体6～7级，无淬火裂纹；淬火+回火后径向圆跳动量≤0.5mm（测量中间主轴颈），满足技术要求。

表2 淬火工艺参数

图2 球墨铸铁曲轴主轴颈淬火区