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行业资讯

发动机曲轴感应淬火工艺



        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。

        (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。

        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QT800-3四缸曲轴进行中频感应淬火处理的实例,其效果优于其他的表面热处理。

        (1)加工流程铁模铸造→正火处理→高温去回火→粗加工→一次探伤→感应淬火→中温回火→二次探伤(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

        (3)设备和工装设备是曲轴专用的半自动淬火设备,可控硅中频电源,马鞍形感应器,浓度5%~8%PAG淬火液。

        (4)处理后的检验结果曲轴淬火处理后各轴颈的淬硬层为3.0~4.0mm,淬火+回火后表面硬度45~52HRC,淬硬区域与侧面的间距在5~6.5mm,淬硬区金相组织马氏体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。

        6.结语

        曲轴是感应热处理技术最理想的应用对象之一,曲轴经感应淬火后使用性能大大提高,有利于提高发动机性能,且大大降低生产成本。感应淬火技术越来越多应用于曲轴高端产品的生产。同时影响淬火质量的关键因素很多,如设备、工装、材料、工艺参数等,设备工装的及时维护、工艺方案的优化、过程的监督等,能有效的控制淬火质量随着大功率发动机需求的不断增加,曲轴感应淬火技术将得到更大范围的应用,曲轴生产厂家由此也会获得良好的收益。


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