感应热处理技术在曲轴加工中的应用

作者:上汽通用五菱汽车股份有限公司 覃建方 广西汽车集团有限公司 卢双桂 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:645 发布时间:2019-06-25
上汽通用五菱汽车股份有限公司 覃建方 广西汽车集团有限公司 卢双桂
感应热处理技术在曲轴加工中的应用

热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命和挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。随着人们对感应热处理技术的认识及掌握程度加深,感应热处理已经广泛地应用于自动化程度很高的汽车曲轴生产线中,同时成为增压发动机曲轴加工不可或缺的工艺。

增压发动机比自然吸气发动机的工况更为恶劣,其曲轴的材料一般为锻钢。增压发动机的曲轴表面热处理后,可获得高硬度、高耐磨性的表层,而心部仍保持良好的韧性,从而提高曲轴的疲劳寿命。曲轴示意图如图1所示。

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曲轴热处理

1.淬火+回火工艺

将钢加热到相变温度以上,保温一定时间,然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺被称为淬火。淬火是钢最重要的强化方法。

钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺被称为回火。

淬火后的钢件一般不直接使用,必须经过回火才能获得所需的性能,以满足使用要求,原因包括:淬火后得到的马氏体组织非常脆硬,并存在很大的内应力,内应力容易导致零件变形和开裂;淬火后得到的马氏体组织和残余奥氏体组织都不稳定,在工作中会发生分解,导致零件尺寸变化,这对精密零件来说是不允许的;为了获得较好的强度、硬度、塑性和韧性,以满足零件的使用要求。

增压发动机曲轴的材料为锻钢,一般采用“感应淬火”+“感应回火”工艺对曲轴的轴颈表面进行热处理,以满足增压发动机的工况要求。热处理后的淬火层深度、淬火层宽度、金相组织、硬度和无裂纹等因素是关键的质量要求,必须严加控制,以确保曲轴淬火质量。

2.曲轴感应淬火的原理

根据电磁感应原理(见图2),交流电通过线圈产生交变磁场,交变磁场有交变的磁力线,将曲轴放在交变磁场中切割交变的磁力线,进而在曲轴上产生感应电动势,感应电动势使曲轴产生交变电流,电能转化为热能,曲轴随之被加热,热量的计算公式是Q=I 2×R×T(I代表电流,R代表电阻,T代表加热时间)。曲轴加热到相变温度以上,用淬火液喷淋冷却,达到淬火的目的。曲轴与线圈如图3所示。

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曲轴热处理的关键质量要求

1.淬火层深度

曲轴样块的淬火层深度如图4所示,感应淬火层过深会降低曲轴的韧性,淬火层过浅,工作时容易被彻底磨损,所以淬火层必须达到一定的深度才能满足使用要求。感应加热时,交变电流在工件截面上分布不均匀,表面电流密度大,自表面向心部,电流大小呈幂指数规律衰减,称为集肤效应。如图5所示,感应加热时工件的表面热,而心部冷。感应淬火具有一定的穿透深度,感应淬火穿透深度计算公式为:D=3 160√(ρ/μf)。其中,ρ为工件的电阻率,单位为Ω/cm;μ为工件的相对导磁率,无量纲;f为交流电频率,单位为Hz。

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穿透深度的含义为:从被加热材料表面到感应磁场强度和电流为表面值的1/e(或36.79%)的位置的距离,这个位置的功率密度为表面功率密度的1/e 2或者13.54%(e为自然对数的底数,值为2.718)。

由上述可知,交流电频率是决定淬火层深度的关键因素。

2.淬火层宽度

轴颈上的淬火层宽度如图6所示。淬火层太窄,发动机轴瓦与曲轴配合的区域未完全淬火,易造成曲轴异常磨损、发动机异响和功率下降等问题;淬火层太宽,淬火区域延伸到沟槽中,易导致曲轴断裂、后工序沟槽滚压刀异常磨损等问题。所以必须控制淬火在一定的宽度范围内,以满足使用要求。

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曲轴淬火宽度主要受三个因素的影响:①线圈宽度的影响,线圈宽度决定电磁场分布宽度,电磁场分布宽度决定淬火宽度,淬火层宽度与线圈宽度是正比的关系,线圈如图7所示;②感应加热过程中曲轴变形的影响,曲轴旋转加热时,线圈随着曲轴的热变形而晃动,导致线圈在曲轴上的投影面积变宽,进而增大淬火区域;③加热时间的影响,感应加热时,热量不断扩散使淬火区域变宽。

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3.淬火硬度

曲轴感应淬火的目的是提高表面及近表面硬度,增加耐磨性。表面硬度要求一般为45~57 HRC,近表面的硬度要求一般为446~697 HV,有效淬硬层深度(硬度为446 HV的位置对应的深度)≥1.2 mm。“曲轴感应淬火”+“感应回火”后,近表面硬度变化趋势如图8所示,下面对近表面硬度变化趋势进行分析。

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A—C段:在0.6~1.7 mm(代表0.0~1.7 mm)的深度范围内,硬度随着深度的增加而增加。其原因是感应回火具有集肤效应,回火能量随着深度的增加而减小,回火温度随着深度的增加而减小,硬度随着回火温度的降低而升高。

C—F段:在1.7~2.7 mm深度范围内,硬度随着深度的增加而减小。其原因是该区域的马氏体随着深度的增加而减少,硬度随着马氏体的减少而降低。

D—F段:硬度急剧下降,该区域内的马氏体组织占50%左右。

F—I段:未淬火区域,该区域的硬度与毛坯硬度相同。

E点:硬度为446HV,深度为2.43mm,该样块有效淬火层深度为2.43mm。

4.金相组织

显微镜下观察分析金相组织,可清晰地辨识回火马氏体的形态和深度,确保获得所需的金相组织。根据JB/T 9204-2008标准,回火马氏体的金相组织分为10个等级(见表1),分析金相时,需严格按照该标准进行评级。

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生产时需要控制100%马氏体深度(不考虑非金属夹杂物的影响),通过显微镜从工件表面开始观察,第一个铁素体或奥氏体的位置对应的深度,即是100%马氏体深度。金属本身存在一定的夹杂物,磨抛腐蚀样块的工艺不当也会产生夹杂物,影响100%马氏体深度的判断,需在400倍显微镜下确认。铁素体在显微镜下呈明亮的多边形晶粒,晶界曲折;奥氏体在显微镜下呈明亮的多边形颗粒,晶界较铁素体平直,并存有双晶带;

 

曲轴感应淬火常见质量问题分析及调整控制

1.淬火深度的控制及调整

淬火深度分为总淬硬层深度、有效淬硬层深度和100%马氏体深度。电源频率决定淬火深度,实际生产中,一般在热处理设备调试验收阶段,调试出最佳的电源频率,后期运行时,不轻易调整电源频率,原因是调整频率后,必须验证出与之相适应的淬火电压、加热时间、喷淋时间、回火电压和回火时间等参数,匹配这些工艺参数需很长时间进行大量的加工、测量验证,以确保加工质量合格与稳定,加工、测量验证给正常生产造成巨大的损失。

一般通过调整电压来改变加热功率,以改变淬火深度。在正常生产时,为快速通过调整电压来获得预期的淬火深度,对淬火电压与淬火深度的关系进行验证,数据如图9所示,验证时其他非变量参数如表2所示,在520~610 V的电压范围内,可以作为调整深度的参考依据。

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2.淬火宽度的控制及调整

线圈的宽度决定磁场的宽度,磁场的宽度决定淬火宽度。线圈的宽度根据曲轴轴颈宽度设计得来,线圈加工制造完成后,正常生产中,一般不会再调整其宽度。

常见的淬火宽度问题包括:宽度太宽,淬火层延伸到轴颈沟槽;宽度不均匀,在某一角度范围内太宽,淬火层延伸到轴颈沟槽;淬火层没有在轴颈中间位置,延伸到轴颈沟槽。

以上问题的潜在原因包括:感应器的两个线圈错位,线圈的在轴颈上的投影面积太大;感应器定位块磨损不均匀,线圈在加热过程中晃动;感应器压在轴颈上的力不足,加热时受轴颈表面排斥力而晃动;感应器的聚磁硅钢片破损,磁场散射严重。

当淬火宽度超差时,可逐一排查上述所列的潜在原因,以快速解决问题,恢复正常生产。

3.淬火硬度的控制及调整

影响淬火硬度的主要因素包括回火时间、回火温度、回火电压、毛坯含碳量和淬火冷却速度等。

曲轴淬火工艺一般安排在粗加工阶段,工件表面刀痕较为清晰,夹具的夹痕较为明显,这些刀痕和夹痕会干扰硬度的测量,当测量结果超差时,可多测几个点取平均值。

测量轴颈内部的维氏硬度时,需要切割取样,并经过多道工序打磨抛光后,其表面非常平整,测量结果的准确度较高。当轴颈外圆表面硬度超差时,可测量相同工件内部的维氏硬度,通过对比测量结果来确认测量的准确性。

当硬度过大时,可以采用延长回火时间、提高回火温度、提高回火电压和降低淬火冷却速度等方法来降低硬度,反之亦然。

4.淬火裂纹的控制

裂纹是热处理最危险的缺陷,一般将裂纹称为热处理第一类缺陷,属于不可挽救的缺陷。带有尖角、棱边的工件,感应加热时,尖角、棱边部位电流密度大,加热速度快,易过热,称为尖角效应。当淬火产生的应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时,便会出现裂纹,尖角和棱边易产生应力集中而造成裂纹。曲轴斜油孔倒角棱边最薄处,在淬火过程中最易产生裂纹。

感应淬火产生裂纹一般有以下几种原因:原材料含碳量及夹杂物含量超差;淬火液的温度太低,冷却速度太快;淬火频率太高;淬火加热时间太长;回火电压太高。

图10中的裂纹,是回火电压太高造成的。图11中的裂纹,是淬火加热时间太长造成的。同时,切割取样过程中,如果切割面的温度太高,将产生二次回火,二次回火会造成淬火区域开裂,此裂纹的深度一般在0.3 mm范围内,可以磨
抛掉。

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结语

感应淬火从很大程度上提高了曲轴的疲劳寿命,降低了生产、使用和维护成本,在曲轴加工领域的应用日益广泛。感应淬火的关键质量要求包括淬火层深度、淬火层宽度、金相组织、硬度和无裂纹等,影响这些关键质量的因素很多,如感应器线圈、工艺参数和毛坯材料等。在加工制造时,必须严格监控感应淬火的关键质量,确保曲轴满足使用要求,同时不断积累经验,进一步提高曲轴淬火质量。