钟形壳感应淬火裂纹的产生及其防止措施

■ 陈富全

等速万向节是汽车传递转矩到轮胎的重要部件，由变速轴端的滑动万向节、轮胎端的固定万向节及中间的传动轴构成。

感应淬火件主要是钟形壳，其淬火的部位是花键杆部及内球道，材质为55钢。

图1 501型钟形壳

图2 507型钟形壳

图3 501型钟形壳淬火工艺图样

1. 钟形壳感应淬火

內腔淬火电源频率采用8kHz。电源功率选250kW加热内腔球道时，外表面有辅助喷液器进行冷却。

杆部淬火电源频率采用12kHz，电源功率选160kW。

硬化层范围：六槽淬火起始位置为0～5mm；花键端淬火起始位置为距端头7.5～11mm。

内腔感应淬火：设备采用VC-100，感应器是双圈一次加热感应器，PAG淬火冷却介质浓度10%、温度14℃。工件有两种型号：501型 、507型，两种零件内腔尺寸相同，501型壁薄一些，实物如图1、图2所示。工艺图样分别如图3、图4所示，淬火工艺参数分别如表1、表2所示。

图3、图4中，技术要求C1处（距端口6mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬层深度（550HV1）1.0～2.6mm；C2处（距口部17mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬层深度（550HV1）1.5～3.0mm；C3处（距口部30mm）表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC），有效淬硬层深度（550HV1）1.0～2.6mm；A1（花键根部）、A2、A3、A4（花键根部）处表面硬度58～62HRC（淬火后59～64HRC）；A1、A2、A4处有效淬硬层深度（550HV1）2.5～5.0mm；A3处有效淬硬层深度（550HV1）1.5～4.0mm。

两种型号钟形壳的金相组织3～6级（执行JB/T 9204—2008），淬火后表面无裂纹、烧伤、锈蚀。

回火工艺为（160±10）℃×3.0～3.5h。

2. 检验过程

按以上工艺生产501型钟形壳共2750件，发现有1750件口部出现裂纹，其中口部纵向裂纹有1215件、口部横向裂纹有535件，裂纹形态如图5、图6所示。

检查发现，裂纹主要集中在钟形壳口部，一种是纵向裂纹沿沟道端部向下，长3～6mm、深度2mm以下，另一种是横向裂纹，长度4～8mm、深度2mm以下。杆部台阶处存在圆周裂纹，如图7所示。裂纹件实测数据如表3所示。

检验结论如下：

图4 507型钟形壳淬火工艺图样

图5 口部纵向裂纹形态

图6 口部横向裂纹形态

表1 钟形壳501感应淬火工艺参数

表2 钟形壳507感应淬火工艺参数

（1）裂纹处组织具有过热倾向，该处淬火起始位置允许端头处有5mm的非淬火区，而裂纹零件非淬火区为零，一直淬到端头，端面硬化层达到了2.74mm，从而引起了端面淬火裂纹，因此端头保留未淬火区可以从根本上避免发生钟形壳六槽端面裂纹。

（2）从杆部内圆与六槽淬火组织看，多处位置的组织出现了过热，形成了粗大的马氏体组织，导致零件性能急剧恶化，极易在淬火时发生开裂。

（3）从台阶无裂纹的501与有裂纹的507型钟形壳硬化层分布（见图11、图12）形状对比可以看出，合理地设计感应器与工件位置关系，形成合理的硬化曲线，可以有效地避免裂纹的产生，提高感应淬火的质量水平。

根据以上检验结果，我们针对501型钟形壳的内腔裂纹制订了试验方案：由于口部端面淬硬层深度＞3mm，因此减少口部淬硬层深度是关键，试验方案是在其他参数不变的情况下，向下移动感应器，移动距离分别是1mm、2mm、3mm，各做2件，口部没有发现裂纹，但移动至4mm时，靠近底部球道出现了裂纹。

内球道检查结果如图13～图16所示。

图13为有裂纹的切样淬硬层形态，口部淬硬层深度达3.1mm，最易产生裂纹。

图14是感应器向下移动1mm时的淬硬层形态，口部有较尖的淬硬层，裂纹倾向明显减少。

图15是感应器向下移动2mm时的淬硬层形态，口部有1mm的未淬硬区，这时口部不会产生裂纹。

图16是感应器向下移动3mm时的淬硬层形态，口部有5mm的未淬硬区，这时口部6mm处监测点淬硬层深度不够。

图7 台阶处圆周裂纹

图8 内圆尖角处组织（400×）

图9 杆部台阶处组织（400×）

图10 端面裂纹组织（400×）

图11 501型台阶处硬化层

表3 裂纹件实测数据

图12 507型台阶处硬化层

图13 感应器未移动

图14 感应器下移1mm时

图15 感应器下移2mm时

图16 感应器下移3mm时

生产试验中，感应器移动2mm时各项指标合格。但继续做40件，发现有两件口部下边产生裂纹，检查淬火冷却介质温度为12℃、浓度6%，将淬火冷却介质温度调到22℃、浓度10%，检验合格后连续生产2400件，再无任何裂纹。

根据对501型钟形壳的试验结果，我们又针对507型钟形壳台阶处呈圆弧状裂纹制订了如下试验方案。

我们知道，感应加热距离与加热能量呈平方关系，因此调整感应器与台阶断面的距离可以改变台阶处的淬硬层深度，移动距离分别是0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm，分别做2件。切样检查表面硬度和淬硬层深度，移动距离0.2mm时仍有一件开裂；移动0.4mm时无裂纹，各项指标均合格，靠近边界金相组织3级；移动0.6mm时无裂纹，各项指标均合格。A3处淬硬层深度2.0mm，台阶处表面硬度61HRC，金相组织5级，各项指标处于安全范围；移动0.8mm时无裂纹，各项指标均合格，A3处淬硬层深1.53mm，处于要求边界。

按移动0.6mm的方案连续生产2400件，均无裂纹，试验成功。

3. 结语

感应淬火裂纹主要与加热温度、淬硬层深及冷却速度有关。合理的加热温度使金相组织尽量靠近合格（3～6级）的中间段（4～5级），淬硬层深在满足要求的条件下尽量取下限。淬火冷却介质必须严格控制浓度、温度，在硬度满足技术要求的情况下尽量降低冷却速度，即提高淬火冷却介质的温度、浓度。另外，防止裂纹的常规措施也要加强，如完善倒角、去毛刺工艺等。