第1章　車輛零件的熱處理工藝與規(guī)范

1.1　曲軸、半軸與凸輪軸的熱處理工藝與規(guī)范

1.1.1　曲軸的熱處理工藝與規(guī)范

1.1.1.1　曲軸的工作條件與性能要求

曲軸是內(nèi)燃機最重要的零件之一，它與氣缸、活塞和連桿等零件組成了發(fā)動機的動力裝置。曲軸的作用是：將做功沖程經(jīng)連桿傳來的力變成扭矩，并帶動發(fā)動機其他機件（如水泵、油泵和氣門等）運動和向外輸出動力（功率）。即曲軸的各部分產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉伸等復(fù)雜交變應(yīng)力，因此將造成曲軸扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動，同時，在一定的條件下，還會產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，因此受力十分復(fù)雜。曲軸的主軸徑、連桿軸徑和曲軸臂各處受到較嚴(yán)重的磨損，受力各不相同。因此曲軸應(yīng)具有以下力學(xué)性能。

①具有足夠的強度，減少軸徑的翹曲變形，提高自抗震能力。

②表面有高的硬度、彎曲疲勞強度、扭轉(zhuǎn)強度和耐磨性。

③良好的抗疲勞強度和沖擊性。

④良好的潤滑作用。

曲軸的基本構(gòu)造如圖1-1所示，曲軸由主軸頸3、連桿軸頸2、曲柄臂4、平衡重5、曲軸前端1和飛輪接盤6等幾部分組成。

根據(jù)曲軸的工作特點和技術(shù)要求，曲軸材料的選擇原則為，首先要滿足曲軸力學(xué)性能的需求，其次考慮到曲軸要具有良好的疲勞強度和耐磨性，最后為加工性能。同時應(yīng)綜合考慮曲軸的使用壽命同材料的熱處理、表面強化工藝、零件的加工精度和表面狀態(tài)的影響。

曲軸常用中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，也可采用球墨鑄鐵制造，一般根據(jù)發(fā)動機的負(fù)荷、種類不同而選用不同的鋼種，汽油機采用碳素鋼，而柴油機多用低或中碳合金鋼制造。鋼又分為碳素結(jié)構(gòu)鋼（如45、50等）、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼（如40Cr、40MnB、50Mn、35CrMo、42CrMo、35CrNiMo、18Cr2Ni4WA等）、非調(diào)質(zhì)鋼（如45V、48MnV、49MnVS3等）。球墨鑄鐵分為鎂球墨鑄鐵、稀土球墨鑄鐵和合金球墨鑄鐵等，近年來廣泛采用稀土球墨鑄鐵鑄造的曲軸，既可滿足曲軸的強度和剛度的要求，同時又可節(jié)約大量的優(yōu)質(zhì)原料，降低了制造成本。為提高耐磨性和耐疲勞強度，曲軸軸頸表面需進行高頻淬火或氮化處理，并進行磨削加工，以獲得低的表面粗糙度和高的表面精度。常見曲軸的熱處理規(guī)范見表1-1。

在實際生產(chǎn)過程中，常采用45鋼和球墨鑄鐵來制造曲軸。

1.1.1.2　曲軸的機械加工工藝流程

曲軸采用鍛壓或沖壓成形，曲軸的整體流線依軸向而變化，可確保具有最佳的力學(xué)性能。成形后經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)和切削加工后進行熱處理，通常是在軸徑部位進行感應(yīng)淬火。整體模鍛曲軸的方式有自由鍛、模鍛等，其中模鍛具有強度高，可有利于纖維方向和組織的合理分布，獲得最佳的截面模量和結(jié)構(gòu)緊密的細(xì)晶粒金相組織，同時具有尺寸緊湊、質(zhì)量較輕等特點，因此在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用較廣。

通常選用正火→校直→機械加工→熱處理的工藝路線，預(yù)備熱處理通常為退火或正火，其目的是消除鍛造或沖壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低基體硬度，以有利于機械加工的正常進行。

下面為鋼和鑄鐵的曲軸基本加工路線。

①對于鍛鋼曲軸，其路線為：鍛坯調(diào)質(zhì)（或正火）→校直→清理表面→檢查→機械加工→去應(yīng)力退火→精加工→表面熱處理→校直→磨削加工→檢驗。

②對球墨鑄鐵而言，其路線為：鑄造→正火（或正火+高溫回火）→校直→清理表面→機械加工→去應(yīng)力退火→表面熱處理→校直→精加工。

③對加入合金元素球墨鑄鐵，其鑄態(tài)不經(jīng)過預(yù)備熱處理，即鑄造→清理表面→機械加工→表面熱處理→精加工。

預(yù)備熱處理是獲得必要的力學(xué)性能、改善材料的切削加工性，為最終熱處理做組織準(zhǔn)備，最終熱處理的目的是提高疲勞強度和軸徑的耐磨性。

1.1.1.3　曲軸的熱處理工藝

曲軸的熱處理技術(shù)要求為：①全部主軸徑和連桿軸徑處：鍛鋼淬硬層硬度為55～63HRC，淬硬層深度為2.0～4.5mm，晶粒度為3～7級；淬硬層邊緣到曲軸端面的非淬硬帶長度：對V形曲軸不大于4～5mm。②對直列式曲軸不大于6～8mm。球墨鑄鐵淬硬層為42～55HRC，淬硬層深度為1.5～4.5mm。③曲軸毛坯熱處理前的硬度：鍛鋼正火后163～241HBW，調(diào)質(zhì)后207～302HBW。球墨鑄鐵正火后240～300HBW。

（1）曲軸的預(yù)備熱處理工藝

對鍛鋼而言，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后為回火索氏體組織，硬度為207～302HBW；正火后組織為珠光體+鐵素體，硬度為163～241HBW，晶粒度分別為1～4級和4～10級；對球墨鑄鐵來說，正火硬度為240～300HBW，石墨球等級為1～3級，晶粒度為5～8級。良好的預(yù)備熱處理將為以后的熱處理及表面處理奠定組織基礎(chǔ)。

（2）曲軸的普通熱處理工藝

根據(jù)曲軸的技術(shù)要求，材料表面應(yīng)硬度高、耐磨性好，而心部具有良好的強度和沖擊韌性。因此曲軸的熱處理可采用一般淬火、火焰淬火和高頻感應(yīng)加熱淬火三種方法。這里以45鋼和球墨鑄鐵為例分別進行介紹。

①45鋼曲軸的熱處理工藝

a.一般整體加熱淬火和冷卻。是指在箱式爐或鹽浴爐中快速加熱，在機床中加壓冷卻，通過調(diào)整加熱溫度、加熱速度、冷卻時間和淬火介質(zhì)，可獲得不同的淬火組織。表面為馬氏體而心部為索氏體，達到外硬內(nèi)韌的技術(shù)要求。

b.火焰加熱淬火和冷卻。用氧-乙炔火焰加熱后水冷，噴嘴不動，曲軸的轉(zhuǎn)動速度為8m/min，應(yīng)控制加熱的速度和溫度，淬火后的淬硬層為3～5mm。

c.高頻感應(yīng)加熱淬火和冷卻。采用曲軸軸徑輪流淬火，分別進行表面淬火，曲軸的淬火溫度為860～900℃，感應(yīng)器（圈）上內(nèi)壁圓周上鉆有供應(yīng)冷卻水的小孔，其直徑大小為1.5～2.5mm，水的壓力通常為0.15～0.35MPa。硬度和淬硬層深度符合要求。感應(yīng)淬火是一種節(jié)能的熱處理技術(shù)，明顯提高熱處理的工作效率，按生產(chǎn)節(jié)拍組織生產(chǎn)，因此可稱為成本最低的熱處理技術(shù)。

需要說明的是：采用鍛造余熱淬火、回火或鍛后空冷正火，可達到節(jié)約能源、改善切削加工性，提高了曲軸的產(chǎn)品質(zhì)量，因此該工藝也是比較有發(fā)展前景的。

②球墨鑄鐵曲軸的熱處理工藝　其熱處理工藝有正火和高頻感應(yīng)淬火兩種。

球墨鑄鐵主要進行奧氏體正火處理，為提高曲軸的力學(xué)性能，也可采用調(diào)質(zhì)或正火后表面淬火，等溫淬火等工藝，以提高球墨鑄鐵曲軸的韌性和塑性。球墨鑄鐵傳統(tǒng)的正火工藝見表1-2，供參考。

高頻感應(yīng)加熱淬火的溫度為900～950℃，加熱速度要低（一般為75～150℃/s）。在300℃進行自回火處理，而采用爐內(nèi)的回火工藝則為（180～220）℃×（1.5～2）h，回火后硬度為52～57HRC。

③表面熱處理和表面淬火　資料介紹曲軸通過軟氮化處理后，其疲勞強度和軸徑的耐磨性得到大幅度提高，硬度≥420HV，滲層不小0.10mm。離子滲氮的硬度和滲層優(yōu)于軟氮化處理工藝，但其成本過高，因此沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

曲軸的熱處理一般有兩種方法：一種是整體淬火，指加熱完畢后在淬火機床上完成冷卻過程，通過調(diào)整冷卻時間和冷卻強度，可得到不同的淬火硬度，即表面淬硬而心部仍處于原來的硬度。另一種為表面淬火，即火焰淬火或感應(yīng)淬火，其中在曲軸進行火焰淬火時，火焰噴嘴不動，曲軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)一般加熱一邊冷卻，經(jīng)驗表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，獲得3～5mm的硬化層，硬度均勻、無回火軟帶。曲軸的感應(yīng)淬火是目前應(yīng)用最廣的熱處理工藝，它可以實現(xiàn)曲軸每一軸徑的依次快速加熱和冷卻。曲軸的熱處理是指表面淬火或表面處理，表面獲得一定深度的硬化層，可提高曲軸的耐磨性和疲勞強度等。表1-3列出了檢測的部分項目。

45鋼曲軸和球墨鑄鐵曲軸的耐磨性的對比見表1-4。

由此可見，稀土球墨鑄鐵的耐磨性優(yōu)于45鋼。同時稀土球墨鑄鐵在沖擊力、缺口敏感性和過載特性等方面均好于45鋼。因此采用稀土球墨鑄鐵制造曲軸已得到推廣和應(yīng)用。

④常見曲軸的熱處理具體工藝規(guī)范　為了便于將曲軸的熱處理工藝系統(tǒng)化，更清楚熱處理的具體要求和特點，現(xiàn)將其列于表1-5中。

曲軸的感應(yīng)加熱表面淬火是熱處理工藝中的重要工序，為曲軸軸徑硬化的必備措施。常見的曲軸感應(yīng)器有兩類：一類是整圈分開式感應(yīng)器，用于曲軸在靜止不動條件下的表面淬火；另一類為半圈淬火感應(yīng)器，曲軸在感應(yīng)器內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動。頻率的選擇是根據(jù)軸徑的直徑而定，一般直徑小于50mm為8000Hz；大于50mm則為2500Hz即可。

曲軸的加熱溫度為860～900℃（以45鋼為例），中頻感應(yīng)淬火。加熱時間一般與功率的大小有關(guān)，冷卻時間為加熱時間的0.9～1.2倍。此時水壓0.015～0.4MPa，水溫在18～35℃。球墨鑄鐵曲軸采用的加熱溫度為900～950℃，在300℃左右進行自行回火后，仍需在180～220℃補充一次回火處理。

曲軸的半圈感應(yīng)器是最常用的、應(yīng)用范圍廣。它是由有效圈、外側(cè)板、定位塊和淬火冷卻裝置四個主要部分組成，具體見圖1-2。其構(gòu)造中，有效圈是用異型紫銅管焊層，用來焊成一個串聯(lián)成“8”字形半圓施感導(dǎo)體，其有效圈的示意圖見圖1-3，其形狀是由四根軸向?qū)Ь€和四根圓弧導(dǎo)線組成兩個“口”字形線圈，然后將其串聯(lián)起來，構(gòu)成一個“呂”形，圍成半圓弧形扣在軸徑上，8根有效導(dǎo)線與軸徑表面的間隙為1.5～2mm。依靠四根軸線導(dǎo)線產(chǎn)生橫向磁場，產(chǎn)生的軸線方向感應(yīng)電流來加熱軸徑，曲軸以60～100r/min旋轉(zhuǎn)，噴水冷卻，一般在導(dǎo)線上裝有“∏”形硅鋼片導(dǎo)磁體。該半圈具有以下特點。

a.硬化層深度和區(qū)域?qū)挾染鶆蛞恢拢蹧]有受到加熱。

b.減少了曲軸的淬火變形。

c.減少或消除了淬火裂紋，尤其是斜油孔的存在極易產(chǎn)生裂紋，使產(chǎn)生的軸向電流與油孔平行后，則可大大減少發(fā)生淬火裂紋的傾向。

d.調(diào)整硬化層的分布曲線，實現(xiàn)軸徑圓角的淬火。

目前國際上通用的曲軸圓角淬火技術(shù)是在圓弧導(dǎo)體上加上硅鋼片導(dǎo)磁體，使中頻電流流向圓弧導(dǎo)體的外側(cè)，得到包括軸徑兩端圓角在內(nèi)的硬化層，這種硬化層的合理分布形式可大大提高曲軸的疲勞強度，具體見圖1-4。

一般通常感應(yīng)圈的形狀與曲軸軸徑的對應(yīng)尺寸見表1-6。下面以6100發(fā)動機曲軸為例說明兩者的關(guān)系。

曲軸為一個形狀復(fù)雜的機器零件，如果采用整圈分開式使曲軸靜止加熱淬火，則有兩個缺點：a.曲柄相對磁場屏蔽，會造成曲軸軸徑和徑向各部分加熱溫度產(chǎn)生極大差別，故表面硬度不均勻；b.曲軸靜止加熱，淬火后軸徑周圍硬化層深度不均勻。而采用半圓淬火感應(yīng)器，曲軸本身旋轉(zhuǎn)的加熱方法則克服了整圈淬火的缺點，即具有硬化層深度均勻、寬度一致、減輕了曲軸淬火變形量、阻止軸徑上油孔出現(xiàn)淬火裂紋等，因此在曲軸的實際感應(yīng)淬火中采用該工藝方法。

下面將6100發(fā)動機曲軸感應(yīng)加熱的電參數(shù)和淬火工藝規(guī)范歸納于表1-7中。這里以材料QT600-3為例，感應(yīng)淬火前曲軸正火硬度220～260HBS，感應(yīng)圈與軸徑的間隙為2mm。

曲軸經(jīng)感應(yīng)淬火后，其軸徑和曲柄連接的圓角R處未淬火處理，因此會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，降低了曲軸的疲勞強度。對于大功率的汽車曲軸采用軸徑和圓角同時淬火的熱處理工藝方法，該方法的特點為，在原半圓感應(yīng)器的基礎(chǔ)上，將有效弧形段截面的厚度加以改變，并捆上導(dǎo)磁體，其目的是使曲軸圓角R和軸徑同在較強的感應(yīng)器下被加熱淬火，獲得理想的淬火效果和一定的殘余壓應(yīng)力。

資料介紹，球墨鑄鐵采用上述方法處理后，大大提高了曲軸的疲勞壽命。對曲軸軸徑、圓角同時感應(yīng)加熱時，在保持硬化層深度的前提下，還要特別注意其形狀和分布情況。理想的硬化層截面分布是整個圓角處為完整延續(xù)并呈圓弧過渡。圖1-5為495曲軸的圓弧硬度的分布曲線。

為了控制曲軸感應(yīng)加熱淬火后的變形，應(yīng)根據(jù)曲軸的形狀、尺寸特征，選擇淬火的先后次序，按照材質(zhì)的冷卻性能確定合理的淬火工藝。其目的是減少變形，另外，在曲軸回火時，建議采用專用夾具進行靜態(tài)逆向校直，即用相變塑性達到無應(yīng)力校直的效果。

一般使用的淬火冷卻介質(zhì)有水、PAG和油等，PAG用作42CrMoA、50CrMoA等材料的淬火介質(zhì)，處理后曲軸具有表面硬度均勻、硬化層深、淬火開裂和磨削裂紋少等特點。大多數(shù)回火采用自回火方法，一般在熱風(fēng)爐或低溫電阻爐中加熱溫度為140～180℃，進行2h的回火即可。

（3）曲軸的化學(xué)熱處理工藝

為了提高曲軸的表面硬度，獲得良好的耐磨性、疲勞強度和高的耐腐蝕性，通常大功率柴油機曲軸采用離子滲氮（或氣體滲氮），它具有滲層厚、時間長、設(shè)備復(fù)雜等特點。作為汽車和拖拉機用曲軸一般采用鐵素體氮碳共滲，其特點為滲層薄、摩擦系數(shù)低，因此提高了曲軸的抗咬和擦傷能力、疲勞強度獲得高的耐磨性等。其工藝特點為溫度低、時間短、化學(xué)處理后變形小、節(jié)能等，因此大部分曲軸普遍采用該工藝。

球墨鑄鐵制作曲軸的熱處理工藝包括一般的正火、等溫或分級淬火、表面改性處理等，表面熱處理和化學(xué)熱處理同普通的熱處理工藝相比，可獲得最佳的表面硬化層，提高了曲軸的疲勞強度、彎曲強度及良好的耐磨性、抗腐蝕性等，具體影響見表1-8，當(dāng)硬度不足則將造成性能和使用壽命的降低，而過厚的硬化層，會增加曲軸的脆性和內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)早期的失效和損壞，因此合理的選擇工藝方法，對曲軸的壽命有重大的影響。

目前對球墨鑄鐵進行熱處理強化和冷加工復(fù)合強化新工藝，即球墨鑄鐵曲軸經(jīng)熱處理后再進行滾壓處理。如正火+滾壓軸頸與曲柄臂過渡圓角處，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化層，增大了殘余壓應(yīng)力的作用，提高使用壽命70％以上，效果十分明顯，在生產(chǎn)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

目前氮碳共滲有液體、氣體和固體三種，液體氮碳共滲具有時間短、滲速快、質(zhì)量穩(wěn)定等特點，國內(nèi)某柴油機廠對曲軸進行液體氮碳共滲，采用德固賽氮化鹽（TF1）和氧化鹽（AB1）處理曲軸效果不錯，國內(nèi)大部分曲軸制造廠則采用山東安丘亞星熱處理材料有限公司生產(chǎn)的氮碳共滲基鹽（TJ-2）和氧化鹽（Y-1）對曲軸進行化學(xué)熱處理，液體氮化后的鹽浴有輕微毒性，會造成環(huán)境的污染，故需要進行中和處理。而采用含氧氣氛的氣體氮碳共滲，則可避免出現(xiàn)環(huán)境污染問題。495曲軸采用氣體氮碳共滲工藝見圖1-6。

曲軸氮化前的去應(yīng)力退火。鑄鋼或球墨鑄鐵在機械加工過程中，會產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響曲軸的尺寸。為防止此類出現(xiàn)變形，毛坯熱處理后進行熱校直，以消除熱變形，加工后采用消除應(yīng)力工藝。需要注意的是，退火溫度為590～620℃，保溫在2～3h即可。球墨鑄鐵的成分、鑄造和熱處理對其使用性能有重大影響，因此應(yīng)嚴(yán)格控制各工序的技術(shù)參數(shù)。作為鑄態(tài)曲軸應(yīng)無石墨漂浮、皮下氣孔和疏松等。常見球墨鑄鐵曲軸的化學(xué)成分見表1-9。

曲軸主要采用正火處理，為了提高曲軸的力學(xué)性能，也可采用調(diào)質(zhì)或正火+表面淬火或貝氏體淬火工藝，以獲得高的疲勞強度，避免出現(xiàn)二次網(wǎng)狀滲碳體，同時消除空冷時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

一般球墨鑄鐵曲軸熱處理工藝為圖1-7。表1-9中序號8的球墨鑄鐵的金相組織為70％～90％的珠光體，力學(xué)性能：σb=730～930MPa，δ=2％～8％，ak=22～49J/cm2，硬度255～277HBW。

為了獲得高強度、高韌性和高耐磨性的綜合力學(xué)性能，對球墨鑄鐵曲軸進行等溫淬火可獲得下貝氏體組織，即可達到曲軸的技術(shù)要求，曲軸的毛坯應(yīng)經(jīng)過完全奧氏體化正火，使自由滲碳體和磷共晶符合技術(shù)要求，同時使珠光體的含量≥75％，才能為曲軸的等溫淬火的快速加熱創(chuàng)造條件。通常采用的球墨鑄鐵的淬火工藝見圖1-8。

采用貝氏體等溫淬火獲得了以下貝氏體為主的組織，本身具有強度高、耐磨性好、疲勞強度高等優(yōu)良的性能。球墨鑄鐵的上、下貝氏體的分界溫度約在300℃，因此等溫的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制。等溫淬火工藝為880℃×15min，（260～280）℃×60min，既可防止溫度升高到300℃以上，生成上貝氏體的可能，同時也避免了因溫度過低造成馬氏體數(shù)量的增加，沖擊韌性下降的質(zhì)量缺陷。

另外，需要注意的是，曲軸的正時齒輪一端和飛輪一端在等溫淬火后要進行機械加工，因此要防止其硬度過高。正時齒輪一端加一軸套，而飛輪一端在等溫淬火后，在鹽浴爐中進行快速的局部退火，即900～950℃加熱、保溫2～3min后空冷，使該部分硬度控制在240～290HBS，其余部分的硬度一般在42～48HRC。通常球墨鑄鐵曲軸等溫淬火后不再進行回火處理，假如硬度超過工藝要求可按下述工藝執(zhí)行：要求硬度為47～49HRC，采用380℃回火；硬度要求為49～51HRC，則回火溫度為400℃；硬度要求為51～53HRC，回火溫度在410℃即可。

為了便于比較S195球墨鑄鐵曲軸經(jīng)不同處理工藝后的性能的差異，現(xiàn)將其列于表1-10中供參考。從表中可以看出，經(jīng)正火處理的曲軸中頻淬火后有最高的使用壽命和高的耐磨性，成本低和能耗少，因此采用正火+中頻淬火的熱處理工藝是十分適宜的。而含有少量銅和微量鈦合金的球墨鑄鐵曲軸，在鑄態(tài)下可獲得大量的珠光體組織，也可直接進行中頻淬火處理，具有生產(chǎn)周期短、節(jié)能降耗、勞動強度低、作業(yè)環(huán)境好等特點。

（4）曲軸的表面強化技術(shù)

表面強化技術(shù)有曲軸的軟氮化和采用圓角滾壓工藝等，其中滾壓和噴丸強化工藝，目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

如何提高曲軸的疲勞強度和延長其使用壽命，一直是曲軸制造企業(yè)努力的方向，曲軸在工作過程中要承受高壓力、交變載荷的作用，因此必須采用表面強化工藝，表面強化既可采用化學(xué)熱處理的方法，改變零件的表面的組織成分和性能，以獲得理想的技術(shù)要求；也可使用機械的方法，使零件局部的表面狀態(tài)發(fā)生變化，形成殘余壓應(yīng)力，提高疲勞壽命等；另外對零件進行表面感應(yīng)淬火等，同樣可獲得較高的機械強度和使用壽命。因此根據(jù)曲軸的工作條件和使用狀況，均可采用上述工藝措施實現(xiàn)曲軸的表面處理。在不改變曲軸材料和結(jié)構(gòu)的條件下，采用物理、化學(xué)和機械的表面強化方法，實現(xiàn)曲軸表面的強化效果十分明顯。機械的強化方法為噴丸和圓角滾壓；物理的強化方法有淬火、調(diào)質(zhì)、正火、表面淬火、等溫淬火等；而化學(xué)強化方法有多種如氮化、軟氮化、硫碳氮共滲、氧碳氮共滲、碳氮共滲、滲碳等。其表面強化的又分為前期強化、中期強化和后期強化三種，經(jīng)過比較后期的強化處理效果最為明顯。曲軸采用了對其軸徑表面和圓角的強化處理，提高了軸徑表面的硬度和耐磨性，消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象，強化了薄弱環(huán)節(jié)的強度，提高了疲勞強度。根據(jù)零件的不同工作條件和技術(shù)要求來具體選擇。

綜合歸納出表面強化的作用有以下幾點：①使表面殘余奧氏體發(fā)生誘變?yōu)轳R氏體相變，強化了非馬氏體組織，同時產(chǎn)生冷作硬化；②細(xì)化了表層組織，降低表面的粗糙度，提高了表層的硬度；③消除磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；④提高了疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕的能力；⑤延長了彎曲疲勞裂紋萌生期，降低了裂紋的擴展速率。

曲軸的圓角滾壓工藝是一種在曲軸的曲柄和軸徑過渡圓角等應(yīng)力集中部位，采用機械方法對圓角表面進行滾壓，造成表面冷加工硬化，故形成殘余壓應(yīng)力表面層，同時可消除切削加工的痕跡以及亞微觀裂紋，并使內(nèi)圓角的幾何形狀精確，因此可提高曲軸的疲勞強度。通常曲軸圓角滾壓工藝具有以下特點。

①工藝簡單，生產(chǎn)周期短，制造成本低。

②使用范圍廣，可滾壓所有材料的曲軸。

③明顯提高曲軸的疲勞強度。

④表面硬度提高，耐磨性增加。

⑤采用圓角滾壓可減少磨削時間，提高砂輪的壽命。

⑥可消除表面的顯微裂紋、針孔、氣孔等曲軸的鑄造缺陷。

⑦滾壓硬化層的深度和最大殘余應(yīng)力值，取決于采用的壓力、滾輪的形狀、尺寸大小和曲軸的材料。

曲軸的滾壓既可在普通車床上進行，也可采用專門圓角滾壓專用機床加工，美國通用汽車公司和國內(nèi)部分汽車制造廠已經(jīng)在生產(chǎn)中采用了該類滾壓強化工藝，實踐表明同其他的強化方法相比，該項技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢和特點，是十分理想的表面強化方法。

除采用表面滾壓工藝外，噴丸強化也收到了良好的效果，用壓縮空氣將大直徑的0.4～2mm的丸粒（如鑄鐵丸、鋼丸或鋁丸和玻璃丸等）以35～50m/s的速度，高速向曲軸的表面噴射，其表面出現(xiàn)很大的塑性變形，表面產(chǎn)生冷作硬化，因此存在較大的壓應(yīng)力作用。資料介紹［7］，對表面粗糙度為2.5～5μm的曲軸，使用直徑0.7mm的鋼丸噴射后的粗糙度變?yōu)?.32～0.63μm，明顯改善了表面的狀態(tài)，故有些熱處理的產(chǎn)品進行噴射后可減少了清洗工序，也增強了表面美觀甚至可作為提高表面潔凈度的技術(shù)手段。常用的鋼丸粒是切的很短的鋼絲（呈球狀），用小丸粒可對曲軸的凹槽和凸起、過渡圓弧處得到強化處理，在實際強化處理過程中，壓縮空氣噴丸和機械噴丸的效果一致，噴丸機的性能不同，其相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)也有區(qū)別，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)備性能和曲軸的技術(shù)要求進行，形狀復(fù)雜的零件等強化后的使用壽命成倍提高。

資料介紹，對表面進行強化噴丸的作用有：①提高的疲勞強度，因此了延長了構(gòu)件的壽命；②在壽命期相同的條件下，提高了承載能力；③可允許減小零件的尺寸和重量；④減少了對精加工尺寸的要求；⑤降低了制造成本；⑥使用高強度要求的零件，不必?fù)?dān)心出現(xiàn)缺口敏感性。因此噴丸強化處理技術(shù)在汽車零件中得到了極為廣泛的應(yīng)用，大到軸類小到銷軸等零件經(jīng)處理后明顯提高了使用壽命，縮短了生產(chǎn)周期，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.1.1.4　曲軸的熱處理工藝分析與實施要點

①曲軸的熱處理形式較多，根據(jù)其服役特點與失效的方式來看，在材料的選擇上應(yīng)考慮到具體的服役條件與技術(shù)要求來確定，鑄鐵和鋼均可作為曲軸的材料，但其熱處理方法與手段是有一定區(qū)別的，即正火、淬火、表面處理和表面強化技術(shù)。

②需要注意的是，曲軸上油孔與軸徑表面的交接處的孔壁很薄，淬火加熱時此處升溫速度快、溫度高，而冷卻時降溫速度快，因此會產(chǎn)生油孔裂紋。故在感應(yīng)器的有效圈上鑲?cè)牍桎撈瑢?dǎo)磁體，則可有效防止曲軸油孔C形淬火裂紋的產(chǎn)生，其原因為：a.由于硅鋼片導(dǎo)磁體有很高的磁導(dǎo)率，把穿過油孔及其附近區(qū)域的磁力線引出來，從而減少該處感應(yīng)電流的密度，明顯降低其周圍加熱溫度，故可減少或消除淬火裂紋的產(chǎn)生；b.在有效圈內(nèi)側(cè)銑成的長形坑內(nèi)鑲嵌導(dǎo)磁體，等于增加油孔附近的間隙，因此降低了油孔的加熱溫度；c.由于鑲嵌導(dǎo)磁體的位置沒有噴水孔，因此改善油孔周圍的冷卻條件，等于起到堵塞噴水孔的作用，達到減少或消除淬火裂紋的效果。

③除上述措施外，防止出現(xiàn)淬火開裂的方法還有嚴(yán)格控制硬化層深度，在孔洞中打入銅塞、堵塞噴水孔，降低加熱的比功率，減緩加熱速度，提高傳熱效果，提高油孔（洞）周圍的溫度的均勻性和提高自行回火溫度等，都會收到很好的效果。

④曲軸在熱處理后的磨削過程中，由于進行高速磨削出現(xiàn)磨削裂紋，有時出現(xiàn)龜裂、裂紋局部凸出表面和鼓起等，甚至有薄片的剝落，見圖1-9，在圖中可以看出有明顯的白亮層、黑的托氏體和感應(yīng)淬火組織。資料介紹，磨削裂紋產(chǎn)生的過程實際上是淬火的過程，高速磨削的砂輪與工件接觸處溫度可達1000℃左右，而磨削過程中不斷地向砂輪和工件噴射冷卻溶液，其目的是對砂輪和工件降溫、在磨削過程中加以潤滑、沖洗砂輪，防止出現(xiàn)砂輪微孔被磨粒等彌漫。但隨之而來的問題是工件的局部表面會因砂輪溫度的升高，達到淬火加熱溫度，被冷卻介質(zhì)噴射后實現(xiàn)了淬火處理。因此對感應(yīng)淬火處理的工件，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行磨削加工的技術(shù)要求，把磨削加工量控制在合理的范圍內(nèi)，確保砂輪表面的溫度低于工藝要求，避免處理磨削裂紋質(zhì)量問題的出現(xiàn)，確保曲軸的產(chǎn)品質(zhì)量。

⑤關(guān)于曲軸表面裂紋的檢查，通常采用磁力-熒光探傷方法進行，在暗室內(nèi)用大電流直流電來磁化曲軸，裂紋處漏磁與磁粉相互作用，使磁力線發(fā)生變形，逸出工件的表面形成磁極并形成可檢測的漏磁場，在工件的表面噴灑熒光磁粉或澆磁懸浮液，磁粉便會吸附在裂紋處，顯示出裂紋的位置、形狀和大小等。用紫外線燈照射，此時曲軸呈淺色，而裂紋處為黑色，如檢查縱向裂紋則采用小電流進行探傷，該方法僅局限于檢測表面和近表面處的裂紋。另外，采用超聲波、X射線和渦流檢測等方法，同樣可以實現(xiàn)對表面和內(nèi)部裂紋的全面檢測，甚至可以明顯區(qū)分晶粒度的大小，為熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量問題提供鑒定和區(qū)別的依據(jù)。

1.1.1.5　曲軸的熱處理質(zhì)量檢驗

曲軸的熱處理質(zhì)量檢驗項目如下。

①基體的硬度。

②表面硬化層的深度、硬度和長度。

③氮化層的深度、硬度和表面質(zhì)量。

④表面不允許有裂紋（使用磁力探傷機檢測）、表面燒傷、淬火表面燒傷等。

1.1.1.6　曲軸的常見感應(yīng)淬火缺陷分析與對策

為便于正確認(rèn)識曲軸在熱處理過程中出現(xiàn)的常見缺陷，現(xiàn)將其匯總列于表1-11中，供參考。

1.1.2　半軸的熱處理工藝與規(guī)范

1.1.2.1　工作條件和性能要求

半軸是汽車后橋受扭矩及一定沖擊力的重要結(jié)構(gòu)件，是傳遞動力的主要部件之一，在工作過程中將主減速器、差速器傳來的扭矩最后傳給驅(qū)動車輪，即起到傳遞發(fā)動機扭力和驅(qū)動后橋圓錐齒使車輪前進的作用，花鍵受力處既有滑動又有沖擊，半軸的使用壽命取決于花鍵齒的抗壓能力，要求有較高的靜扭轉(zhuǎn)強度和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命、良好的耐疲勞性能及沖擊韌性等，較深的硬化層等，來滿足實心半軸的正常需要，通常載重車采用全浮式半軸，易損壞部位在桿部和法蘭連接處，或受沖擊扭轉(zhuǎn)花鍵以及花鍵與桿部連接處，產(chǎn)生疲勞斷裂，其使用壽命主要取決于花鍵齒的抗壓和耐磨性能。而小客車為半浮式半軸。圖1-10為半軸示意圖，其中a、b、c三處為半軸易損壞部位。

根據(jù)汽車半軸的工作狀態(tài)和失效形式，一般選用中碳鋼或中碳合金鋼制作。對小型汽車大多使用40Cr、40MnB，對于直徑小于40mm的半軸采用中碳調(diào)質(zhì)鋼如40、45鋼等，而重型汽車的半軸則采用淬透性較高的合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr、40CrMn、40MnB、40CrMo、40CrNiMo、47MnTi、40CrMnMo、40CrMnTi、40CrNi等。汽車半軸常見材料見表1-12。

注：只有在特殊情況下，可采用12CrNi4A鋼制造進行滲碳處理，必須控制殘余奧氏體的數(shù)量，最后進行淬火處理。

1.1.2.2　半軸的機械加工工藝流程

半軸的機械加工流程與其熱處理工藝密切相關(guān)，即選擇的工藝路線是依據(jù)熱處理的編排順序而確定的，一般半軸進行調(diào)質(zhì)和表面淬火的路線分別如下。

①調(diào)質(zhì)　剪切或鋸切下料→鍛造成形→正火或退火處理→校直→切削加工→調(diào)質(zhì)處理→噴丸處理→檢查→精加工→檢驗→成品→防銹包裝。

②表面淬火　下料→鍛造→預(yù)備熱處理→校直→機加工→表面淬火→校直→精加工→檢驗→成品→防銹包裝。

半軸的正火或退火工序作為調(diào)質(zhì)前的預(yù)備熱處理，其目的是為了細(xì)化晶粒，降低硬度和改善切削加工性。對40Cr、40MnB等正火溫度為860～900℃，時間45min，空冷。硬度為187～241HBS；對40CrMnMo等退火溫度和時間為860～880℃，時間100min，爐冷600℃出爐。硬度為≤255HBW。

1.1.2.3　半軸的熱處理工藝

從對半軸的技術(shù)要求來看，需要對其進行調(diào)質(zhì)處理和表面淬火，以獲得理想的力學(xué)性能，實現(xiàn)較高的靜扭轉(zhuǎn)強度和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命、良好的耐疲勞性能及沖擊韌性等，因此熱處理工藝的制定是要根據(jù)半軸的要求，采用科學(xué)、合理而又經(jīng)濟的手段進行的。

半軸的熱處理技術(shù)要求見表1-12，通常采用中碳鋼或中碳合金鋼等制造，個別是低碳鋼滲碳后進行淬火處理。

（1）半軸的調(diào)質(zhì)工藝

汽車半軸的調(diào)質(zhì)處理的目的是：為了獲得均勻一致的回火索氏體組織，使半軸心部具有良好的綜合力學(xué)性能，確保基體的強度和良好的韌性，為最終的表面淬火做好組織上的準(zhǔn)備。上述幾種鋼的調(diào)質(zhì)工藝列于表1-13。

從表1-13可知，中碳合金鋼處理后硬度在37～47HRC之間，故其組織為索氏體+部分回火屈氏體，有較好的疲勞強度、高的沖擊韌性等，完全能滿足工作需要。

（2）半軸的表面淬火處理

從半軸的工藝流程可以看出，表面淬火前的預(yù)備熱處理為正火、退火或調(diào)質(zhì)，得到了合理的基體硬度和強度，為表面淬火做好了組織上的準(zhǔn)備。

①熱處理技術(shù)要求　對輕型載重車和小轎車的法蘭盤式半軸（直徑在50mm以下）的淬硬層深度按要求確定見圖1-11，這里以40Cr為例簡述半軸的表面淬火技術(shù)要求：淬火前調(diào)質(zhì)基體硬度為321～375HBS，淬火后的硬度達到45～58HRC，回火后的硬度均要求在45～50HRC，硬化層深在2.5～5mm之間。

硬化層的深度要求如下：法蘭盤根部圓角要淬硬，圓角硬化區(qū)的最小直徑要比半軸桿部直徑大25％；花鍵處為鍵直徑的10％；桿部為直徑的15％。硬化區(qū)可允許有少量的鐵素體，在半馬氏體處的鐵素體量應(yīng)≤20％。根據(jù)半軸的工作條件和產(chǎn)生質(zhì)量問題的主要環(huán)節(jié)，硬化層必須從法蘭盤根部開始直到花鍵的末端4～7mm，如盤根部沒有硬化或硬度不夠，則將大大降低半軸的整體強度。

②表面淬火的特點　半軸過去多采用調(diào)質(zhì)處理，使用壽命不高。而隨著科學(xué)技術(shù)的進步，目前國內(nèi)外基本采用感應(yīng)淬火來代替調(diào)質(zhì)處理，明顯提高了半軸的疲勞壽命，從幾倍到幾十倍是普通調(diào)質(zhì)處理工藝所無法比擬的，具體區(qū)別見表1-14。

從表1-14中可知，汽車半軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的疲勞斷裂循環(huán)次數(shù)明顯低于感應(yīng)淬火，這同感應(yīng)加熱淬火后半軸的表面獲得的殘余壓應(yīng)力有關(guān)，因此感應(yīng)淬火是提高零件使用壽命的表面強化技術(shù)，從某種意義上說，它具有操作簡單、成本低、易于獲得良好的強化效果的特點，在汽車制造中得到越來越多的推廣和應(yīng)用。一般汽車半軸采用圓環(huán)感應(yīng)器進行連續(xù)淬火加熱，為了加強加熱的效率，在有效圈上常裝有硅鋼片導(dǎo)磁體，槽口斜對法蘭圓角，其目的是利用槽口效應(yīng)，將有效圈上中頻電流在圓角驅(qū)逐到與圓角對應(yīng)之處，此處在10s內(nèi)可得到迅速加熱，可以得到非常合理的表面硬化層。所用圓環(huán)感應(yīng)器見圖1-12，除此以外，半圈式半軸感應(yīng)器連續(xù)淬火技術(shù)與圓環(huán)感應(yīng)器相比具有以下優(yōu)點。

a.能使階梯軸的小直徑軸根處硬化層平直連續(xù)，具體比較見表1-15。

b.解決了花鍵齒頂硬度偏低的問題。

c.消除了花鍵過渡軟帶問題，防止了花鍵過渡區(qū)出現(xiàn)“磁場跳躍”，避免造成軟帶現(xiàn)象的發(fā)生。

③表面淬火的工藝參數(shù)　其表面加熱淬火的工藝參數(shù)和要求如下。

加熱功率為150～300kW，頻率為2500～3000Hz，半軸采用中頻感應(yīng)加熱表面淬火，冷卻水流速不小于10m/s，淬火后的工件表面壓應(yīng)力可達700～800MPa，經(jīng)過250℃回火后，降到400～500MPa。因此保證半軸表面存在一定的殘余壓應(yīng)力，將有助于使半軸有較高的疲勞強度，可采用自回火，也可在爐內(nèi)回火，溫度控制在180～250℃，時間為90～120min。為了保證法蘭圓角的均勻加熱，可在感應(yīng)器上加導(dǎo)磁體，具體見圖1-13。表面淬火后的回火一般在淬火后馬上進行感應(yīng)加熱回火，隨后在井式爐或箱式爐中進一步回火；也可感應(yīng)淬火后立即在爐中回火。事實證明，前一種回火方式有利于防止回火前裂紋的產(chǎn)生。

④半軸整體表面淬火　半軸整體表面加熱淬火技術(shù)的出現(xiàn)是感應(yīng)淬火加熱技術(shù)的重大進步，該方法即提高了生產(chǎn)效率又節(jié)約了能源，由于加熱時有效方向與半軸中心線平行，產(chǎn)生垂直于半軸軸線的橫向磁場，故軸向尺寸變化也不會引起磁感應(yīng)線的轉(zhuǎn)移。因此矩形感應(yīng)器縱向加熱整體淬火技術(shù)與半軸連續(xù)淬火相比具有以下特點：a.生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)機械化和自動化；b.利用鄰近效應(yīng)加熱，加熱層淺，因此半軸的淬火變形小，只有10％的淬火半軸需要調(diào)直；c.表面獲得均勻加熱，無淬火裂紋和硬度不均勻現(xiàn)象；d.淬火消耗的電量低；e.提高了花鍵齒頂?shù)挠捕取膱D1-14中可以看出，在有效圈A端的圓弧處鑲嵌有硅鋼片導(dǎo)磁體，因此在感應(yīng)加熱過程中使半軸法蘭根部圓角的升溫速度較快，該處加熱均溫時間長，確保了硬化層的深度和有足夠的硬化區(qū)域。同時矩形感應(yīng)加熱感應(yīng)器與半軸的間隙為5～8mm，因此升溫慢，加熱時間長，硬化層厚而均勻，克服了連續(xù)淬火時產(chǎn)生軟帶造成強度低的缺陷，有效避免了花鍵尾部的斷裂。

表1-16為40MnB鋼帶法蘭半軸的常見感應(yīng)淬火工藝規(guī)范。

為了克服半軸感應(yīng)熱處理不便于實現(xiàn)機械化和自動化，靠近半軸桿部花鍵區(qū)會產(chǎn)生軟帶、強度較低，在使用過程中會在花鍵的尾部斷裂。事實證明，采取整體一次感應(yīng)加熱，使法蘭圓角部位加熱效果增加，此處加熱溫度均勻和時間短，故確保了該處硬化層深度和足夠的硬化區(qū)域，既提高了疲勞強度，又使花鍵齒部硬度得到了提高。

1.1.2.4　半軸的熱處理工藝分析與實施要點

（1）水溫對淬火質(zhì)量的影響

需要引起注意的是：中頻淬火時用水作為淬火介質(zhì)，采用噴射冷卻，淬火冷卻速度是很快的，圖1-15為28℃自來水在不同的冷卻方式下的冷卻能力的比較，從圖中可知，冷卻前、后的冷卻速度相差很大。因此，在半軸的實際熱處理過程中，要采取切實可行的冷卻方式，避免出現(xiàn)因冷卻速度過快而造成半軸開裂現(xiàn)象。資料介紹，淬火水溫對花鍵淬火裂紋的影響十分明顯，具體見表1-17。另外，50℃的冷卻水在200～300℃溫度區(qū)間內(nèi)的最大冷卻速度低于靜水的浸沉冷卻，因此可以消除淬火裂紋的產(chǎn)生，由此可見淬火冷卻性能不良和冷卻方式不佳（如冷卻速度和均勻性）同樣會引起淬火裂紋的產(chǎn)生，對于硬化層較薄（2～3mm）的花鍵及一些形狀簡單零件，采用自來水作淬火介質(zhì)是沒有淬火危險的。

（2）回火方式對質(zhì)量的影響

資料介紹，EQ1090汽車后橋半軸經(jīng)感應(yīng)加熱回火后，疲勞壽命比爐內(nèi)回火壽命提高1倍，其原因在于，高頻加熱時最外層首先在感應(yīng)圈內(nèi)產(chǎn)生馬氏體的分解，使體積收縮，處于相變的超塑性階段，待整體回火完成后，表層形成更大的壓應(yīng)力。因此有利于提高疲勞強度和應(yīng)力的分布，而爐內(nèi)回火則無此壓應(yīng)力出現(xiàn)。回火對半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命的影響見表1-18，材料為40MnB，正火處理，試驗條件中頻淬火（頻率8000Hz），硬化層深6～7mm，扭轉(zhuǎn)力矩為2940N·m。

另外，汽車后半軸用40Cr鋼制造，首先經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，基體硬度控制在22～28HRC，組織為均勻細(xì)致的回火索氏體組織和少量的鐵素體。仍然采用中頻淬火的方法，獲得高的表面硬度，桿部硬化層硬度為55～63HRC、花鍵部分硬度48～55HRC，硬化層深度為3.5～6.0mm。半軸的熱處理質(zhì)量控制有淬火后硬度≥477HBW，硬化層深度自零件表面測至半馬氏體區(qū)的距離必須大于桿部直徑的1/4，金相組織為回火索氏體和托氏體。

（3）冷卻方法的選用和校直

半軸在熱處理過程中發(fā)生的淬火裂紋和早期的疲勞斷裂，經(jīng)分析多半同盤部和桿連接處存在大量的網(wǎng)（塊）狀鐵素體有關(guān)，此處硬度低。一般是淬火工藝不良、操作不當(dāng)造成的，盤部入水時間過早或離水面太近，淬火后的應(yīng)力過大，產(chǎn)生淬火裂紋；淬火時盤部離水面過遠(yuǎn)，盤部和桿連接處產(chǎn)生強度和硬度低的鐵素體組織，將造成半軸的早期疲勞斷裂。因此，為了防止淬火開裂、提高其疲勞壽命，在對半軸進行整體加熱時，使盤部首先油冷出油后進行自回火，最后進行整體水冷的工藝方法，如在進行一次中頻淬火，其疲勞強度將成倍提高。對于感應(yīng)淬火，零件表面淬火缺陷的檢驗十分重要，及時檢出可避免后續(xù)加工的浪費，檢查出存在淬火裂紋和材料裂紋的零件，通常采用磁粉探傷法，它是利用鋼鐵零件本身具有鐵磁性的性質(zhì)進行的。

半軸的校直盡可能是冷校，因用氧乙炔熱點加熱后，一旦溫度高于相變溫度，在急冷后形成粗大的馬氏體，應(yīng)力很大，半軸在受到反復(fù)載荷的作用，逐漸擴張出現(xiàn)疲勞斷裂。

感應(yīng)加熱回火多采用多匝圓柱形感應(yīng)圈，以保證半軸加熱溫度的均勻，推薦的尺寸為ф60mm×（15～25）mm，花鍵和桿部的淬火移動速度分別為0.36m/min和0.30m/min。

（4）半軸的工藝改進

早期制造的40Cr材料的汽車半軸多半采用的工藝流程為：鍛造→退火→機械加工→正火→表面中頻淬火→低溫回火等，事實上，在工作過程中出現(xiàn)的半軸的早期脆性斷裂與此工藝有關(guān)聯(lián)，即與熱處理后半軸的疲勞強度不足有關(guān)。因此為了提高疲勞強度，可從提高表面粗糙度和表面強度上入手，進行結(jié)構(gòu)和尺寸的改進以及改進熱處理工藝方法。考慮到易損壞的部分為桿部與法蘭盤圓弧連接處和兩花鍵與桿連接處斷裂，另一個為花鍵端面的磨損。40Cr材料的含碳量在0.37％～0.44％，其含碳量低于45鋼，因此正火（870～890℃加熱空冷）后獲得了細(xì)的珠光體組織，其硬度在200HBW左右，經(jīng)過中頻淬火，盡管半軸的耐磨性符合工藝要求，但心部硬度偏低，造成其強度和沖擊韌性偏差，無法滿足半軸的服役條件的要求。

而將正火改為調(diào)質(zhì)處理（840～860℃淬火油冷，550～600℃回火水冷）后，半軸的整體硬度在260HBW左右，金相組織為回火索氏體，它本身具有強度和韌性的良好配合，大大提高了沖擊韌性值，表面中頻淬火后表面的疲勞強度和耐磨性得到了提高，為了獲得最大的殘余壓應(yīng)力，要求過渡層的厚度應(yīng)小于硬化層的1/4，通常選取的熱透入深度為硬化層深度的2倍（為最佳的淬硬層深度）。

1.1.2.5　半軸的熱處理質(zhì)量檢驗

半軸的熱處理質(zhì)量檢驗具體參見表1-19和表1-20執(zhí)行。

1.1.2.6　半軸調(diào)質(zhì)和表面淬火的缺陷分析與對策

從汽車半軸的調(diào)質(zhì)處理和表面淬火工藝的制定，可以了解到熱處理的幾個重要環(huán)節(jié)——加熱、保溫和冷卻，要完成半軸的上述過程，則需要選用加熱設(shè)備、加熱介質(zhì)或氣氛、冷卻介質(zhì)、工藝裝備等，這些對半軸的熱處理質(zhì)量有重要的影響。為了規(guī)范操作，便于工程技術(shù)人員和操作者及時預(yù)防和避免熱處理過程中缺陷的產(chǎn)生，現(xiàn)將常見的半軸調(diào)質(zhì)和表面淬火缺陷列于表1-21中，供參考。

1.1.3　凸輪軸的熱處理工藝與規(guī)范

1.1.3.1　凸輪軸的工作條件和性能要求

凸輪軸是發(fā)動機配氣系統(tǒng)中的重要部件（見圖1-16），凸輪軸的旋轉(zhuǎn)是依靠曲軸帶動的，用來保證各個氣缸內(nèi)進、排氣門按一定的時間正常開啟和關(guān)閉，保證發(fā)動機充分換氣，使進、排氣門持久地確保燃燒室的密封性，確保發(fā)動機具有良好的可持續(xù)性和動力性。另外，凸輪軸還要用來驅(qū)動燃燒系統(tǒng)等零件。在低應(yīng)力作用下，凸輪軸與氣門閥桿、挺桿構(gòu)成摩擦副，在工作過程中承受連桿擠壓應(yīng)力作用，其次受到一定的彎曲和扭矩的作用，同時又要承受周期性變化的擠壓應(yīng)力以及與挺桿相接觸產(chǎn)生的滑動帶滾動摩擦的作用，也受到周期性的沖擊載荷和磨損。凸輪軸與挺柱配合接觸面壓應(yīng)力大，工作過程中摩擦生熱，而散熱條件差，容易出現(xiàn)刮傷、撕裂、剝落以及早期的磨損等，故工作條件惡劣。凸輪軸的主要損壞形式為接觸疲勞破壞（黏著磨損即擦傷）、凸輪磨損、表面壓應(yīng)力反復(fù)作用造成麻點和塊狀剝落等。因此要求凸輪軸必須具有以下特性。

①良好的接觸疲勞強度和抗擦傷性。

②高的硬度和良好的耐磨性。

③接觸表面具有足夠的強度和剛性，可承受氣門開啟的周期性沖擊載荷的作用。

凸輪軸的材料要根據(jù)氣門挺桿的材料而定，兩者的材料要相匹配，同時要考慮到設(shè)計和使用的要求，影響凸輪軸選擇材料的因素有以下幾個。

①在發(fā)動機中的工作條件和使用工作狀況。

②凸輪軸與挺桿間的最大接觸應(yīng)力、相對滑動速度、潤滑條件。

③匹配挺桿材料、硬度以及表面狀態(tài)等。

因此根據(jù)凸輪軸的工作條件，符合要求的材料有兩類，即鋼和鑄鐵，鋼分為感應(yīng)淬火鋼、滲碳鋼、滲氮鋼（或氮碳共滲鋼）；鑄鐵分為冷激鑄鐵、可淬硬鑄鐵、球墨鑄鐵感應(yīng)淬火、氬弧重熔鑄鐵等，凸輪軸材料的選擇具體見表1-22。

一般的凸輪軸選用滲碳鋼和中碳鋼，對于大馬力的高速發(fā)動機，凸輪軸采用鎳鉻鉬（或鋁）合金鑄鐵、銅釩鉬合金鑄鐵制造。合金鑄鐵的彈性模量比中碳鋼和球墨鑄鐵的低，故能夠減小接觸壓力和保持表面的潤滑油膜，鑄鐵中加入合金元素可明顯提高鑄鐵的力學(xué)性能或物理化學(xué)性能，如鉻、銅、鎳、鉬和釩等顯著改變鑄鐵的耐磨性，鉻、銅、鎳、磷和硅能提高鑄鐵的抗腐蝕能力，同時鉻、鎳、鉬、硅等元素增強了耐熱性。通常用45（最佳含碳量為0.40％～0.47％可保證合適的淬透性）、50Mn2鋼等制作凸輪軸，具有工藝簡單、制造成本低等特點，其毛坯晶粒度控制在6～8級，獲得的各項技術(shù)指標(biāo)完全符合要求。

冷激鑄鐵不需進行熱處理，其表面存在軟硬相間的復(fù)相組織，使其有很高的硬度和低的摩擦系數(shù)，不會發(fā)生黏著現(xiàn)象。因此具有最優(yōu)秀的抗擦傷性能、較好的抗點蝕剝落性和較高的耐磨性，該類鑄鐵一般含碳量高，以保證冷激層的硬度和碳化物的含量。常見合金鑄鐵和冷激鑄鐵的化學(xué)成分見表1-23、表1-24。

1.1.3.2　凸輪軸的機械加工工藝流程

合金鑄鐵凸輪軸的工藝流程為：鑄造→調(diào)質(zhì)或正火→粗機械加工→去應(yīng)力退火（590℃×5h加熱后爐冷200℃出爐空冷）→機械加工→感應(yīng)加熱等溫淬火（870℃加熱，在300℃硝鹽溶液中冷卻60min后提出空冷）→回火（590℃×5h）→氮碳共滲→檢驗和裝配等。

1.1.3.3　凸輪軸的熱處理工藝

（1）熱處理技術(shù)要求

①15鋼等低碳鋼的化學(xué)熱處理：對滲碳鋼的技術(shù)要求為滲碳處理后滲層1.5～2.0mm，凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為55～63HRC，齒輪的硬度為45～58HRC，可提高表面的耐磨性；對凸輪軸進行低溫氮碳共滲處理，氮碳共滲層0.10～0.20mm，表面硬度≥550HV，明顯提高抗擦傷和防止出現(xiàn)熱咬合能力，其耐磨性為中碳鋼淬火后的兩倍以上。

②45鋼凸輪軸的表面處理技術(shù)要求：凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為55～63HRC，硬化層深2～5mm，齒輪的硬度45～58HRC，硬化層深度2～5mm。

③合金鑄鐵凸輪軸的技術(shù)要求：凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為48～58HRC，硬化層深2～5mm，齒輪的硬度45～58HRC，硬化層深度2～5mm。采用感應(yīng)加熱可提高凸輪軸的強度和耐磨性，確保在工作過程中具有高的疲勞強度和使用壽命。

（2）熱處理工藝規(guī)范

對滲碳鋼和中碳鋼制造的凸輪軸而言，最終熱處理前，要對凸輪軸進行調(diào)質(zhì)處理或正火處理，其目的是獲得均勻細(xì)化的索氏體組織，確保基體有足夠的強度和良好的韌性來滿足凸輪軸基體的工作需要，這是對其進行預(yù)備熱處理的基本要求。

凸輪軸的熱處理分為表面淬火和化學(xué)熱處理等，根據(jù)其具體的技術(shù)要求來分析和判斷工藝制定的正確性，對于凸輪軸的熱處理質(zhì)量，有重要的影響，從某種意義上講，設(shè)計的工藝參數(shù)應(yīng)能準(zhǔn)確反映出質(zhì)量狀態(tài)，并能確保質(zhì)量合格。

①感應(yīng)加熱熱處理工藝　一般汽車、拖拉機等內(nèi)燃機凸輪軸大多采用感應(yīng)加熱完成表面的熱處理，它具有加熱速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約能源、機械化和自動化程度高等特點，其熱處理工藝成熟和便于操作，該工藝可明顯提高凸輪軸基體表面的抗拉強度、硬度、耐磨性能和疲勞極限，心部仍保持足夠的塑性和韌性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，應(yīng)對凸輪軸的凸輪、支承軸徑、偏心輪和齒輪等主要工作表面在精加工前分別進行感應(yīng)淬火處理。

為獲得要求的硬度等，應(yīng)選擇理想的感應(yīng)器。通常感應(yīng)器一般選用以下兩類。

a.圓形感應(yīng)器。應(yīng)用于中頻淬火，采用凸輪軸旋轉(zhuǎn)方式，感應(yīng)器內(nèi)徑大于支承軸徑，間隙較大。

b.仿凸輪軸形感應(yīng)器。同高頻感應(yīng)淬火或具有特殊形狀的具體要求，凸輪與感應(yīng)器的間隙很小，因此硬度均勻，可根據(jù)凸輪軸各部分硬化層深度來改變仿形形狀，該類感應(yīng)器分為單圈和雙圈兩種。另外，為了獲得凸輪周邊均勻的硬化層，可使用分開式的感應(yīng)器，見圖1-17。在實際生產(chǎn)過程中，凸輪軸在一根軸上有若干個凸輪、主軸徑、齒輪和偏輪要進行感應(yīng)淬火，而它們之間的距離較近，勢必會影響到彼此的硬度，故中頻淬火感應(yīng)器必須有屏蔽裝置來進行保護。

其磁場屏蔽裝置有兩種：一種為銅環(huán)屏蔽法，是在感應(yīng)器的兩側(cè)加上云母片或膠木板，外側(cè)加上銅管或銅板制成的銅環(huán)，具體見圖1-18。其原理為磁力線穿過銅環(huán)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力線與有效圈上產(chǎn)生的中頻電流產(chǎn)生的磁力線方向相反，故削弱或抵消了逸散的磁力線，兩側(cè)的凸輪或主軸徑的邊緣不會受到加熱。另一種為低碳鋼環(huán)屏蔽法，同銅環(huán)屏蔽法相似，裝上低碳鋼或工業(yè)純鐵制造的鋼環(huán)，如圖1-19所示。其工作原理為，鋼環(huán)或純鐵環(huán)的相對磁導(dǎo)率高于空氣，對逸散的磁力線有吸引或約束作用，因此保護相鄰的凸輪或主軸徑的邊緣免受加熱，資料介紹同時采用兩種屏蔽方法效果更好。最后為硅鋼片屏蔽法，即在有效圈外側(cè)卡上一圈硅鋼片，經(jīng)過磷化處理，同樣具有良好的屏蔽作用。

對于材料為中碳鋼的凸輪軸來說，感應(yīng)加熱表面淬火具有容易控制、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、便于實現(xiàn)機械化等特點，它拋棄了鹽浴爐、電阻爐等工件必須完全加熱的弊端，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。考慮到6102發(fā)動機凸輪軸要求的硬化層深，故選擇中頻感應(yīng)淬火，常用的頻率為2500Hz和8000Hz。該凸輪軸的熱處理在粗磨凸輪、偏心輪之前，在淬火機床上進行中頻淬火，硬化層深度在2～5mm，淬火后硬度在55～63HRC。需要注意的是感應(yīng)器的合理設(shè)計與淬火質(zhì)量的問題，表1-25為6102發(fā)動機凸輪軸表面感應(yīng)加熱淬火（中頻淬火）工藝規(guī)范。

45鋼和合金鑄鐵的凸輪軸表面淬火的工藝參數(shù)及質(zhì)量要求見表1-26。

②球墨鑄鐵凸輪軸的等溫淬火工藝　球墨鑄鐵凸輪軸一般選用QT600-3，除少數(shù)采用中頻淬火或進行氮碳共滲外，絕大部分凸輪軸在毛坯正火或去應(yīng)力退火加工后，進行貝氏體的等溫淬火處理，獲得理想的下貝氏體組織（以及少量馬氏體+少量殘余奧氏體組織）和硬度要求，球墨鑄鐵凸輪軸等溫淬火后可以獲得高強度或超高強度，同時具有較高的塑性、韌性，因而凸輪軸具備良好的綜合力學(xué)性能和耐磨性，熱處理后變形小的特點，滿足其工作需要，具體見表1-27。

球墨鑄鐵凸輪軸的熱處理工藝包括一般的正火、等溫或分級淬火、表面改性處理等，表面熱處理和化學(xué)熱處理同普通的熱處理工藝相比，可獲得最佳的表面硬化層，提高了凸輪軸的疲勞強度、彎曲強度及良好的耐磨性、抗腐蝕性等，具體影響見表1-28，當(dāng)硬度不足則將造成性能和使用壽命的降低，而過厚的硬化層，會增加凸輪軸的脆性和內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)早期的失效和損壞，因此合理的選擇工藝方法，對于凸輪軸的壽命有重大的影響。

目前對球墨鑄鐵凸輪軸進行熱處理強化和冷加工復(fù)合強化新工藝，即球墨鑄鐵凸輪軸經(jīng)熱處理后在滾壓處理。如正火+滾壓軸頸與曲柄臂過渡圓角處，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化層，增大了殘余壓應(yīng)力的作用，提高使用壽命70％以上，效果十分明顯，在生產(chǎn)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

③凸輪軸的氮碳共滲工藝　凸輪軸在表面處理前要進行正火或調(diào)質(zhì)，以使其得到良好的力學(xué)性能。為提高凸輪軸的耐磨性和抗腐蝕性，可對其進行化學(xué)熱處理（如氮碳共滲等），圖1-20為凸輪軸的氮碳共滲工藝，材質(zhì)為合金鑄鐵、滲層0.10～0.15mm，化合物層為4～6μm，硬度在900HV以上使用壽命可提高三倍以上，在表面形成了CrN、MnN等合金氮化物。

另外，近十幾年來，對于凸輪軸的熱處理工藝研究更加深入，其目的是提高凸輪軸的表面強化效果，例如真空表面硬化處理，它是利用真空加熱中對活性表面反復(fù)進行活性原子的擴散，再在氮氣氣氛中冷卻、加熱和保溫，使晶粒細(xì)化，促使表面硬化，或者在真空加熱爐中氮氣氣氛中產(chǎn)生輝光放電而離子化，轟擊凸輪軸表面而被吸收，達到表面硬化的目的，其流程為：工件→真空加熱爐→CH4（真空加熱氣逆分解）→N2（冷卻到550～600℃）→加熱→淬火油冷（獲得細(xì)晶）。與此類似的有氣相沉積表面硬化處理、氬弧重溶淬火、激光熱處理等，資料介紹，激光表面熱處理是一種表面強化處理的新技術(shù)，它可以提高金屬材料以及零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性以及整體強度和耐高溫性能，同時還可確保基體（心部）組織具有較好的韌性，是一項值得推廣的新技術(shù)。

1.1.3.4　凸輪軸熱處理的工藝分析與實施要點

①凸輪軸進行感應(yīng)淬火表面硬化處理后，其奧氏體晶粒得到了細(xì)化，使表面硬度高，耐磨性以及耐疲勞性得到改善，另外，具有變形小、效率高、節(jié)能、自動化和機械化操作。其流程為：選用感應(yīng)圈→淬火900～930℃→水淬油冷→回火等。中頻淬火后利用余熱進行自回火，可消除淬火組織應(yīng)力；正火+中頻淬火后，心部為細(xì)片狀珠光體，硬度在255HB，心部具有良好的強度和高的韌性。

a.感應(yīng)加熱的感應(yīng)器設(shè)計應(yīng)根據(jù)要求制作。其形狀可制成仿形或圓形。其高度比凸輪軸高4～8mm，內(nèi)徑與軸徑間隙在3～4mm之間，避免出現(xiàn)因間隙不等而造成硬度的明顯差異，同時要觀察感應(yīng)器和凸輪軸彼此的位置應(yīng)相對固定。

b.感應(yīng)器上的ф1.5～2mm的噴射孔，確保無堵塞，水壓符合設(shè)計要求，凸輪軸可旋轉(zhuǎn)或靜止不動。大批生產(chǎn)時，所有的凸輪軸上各淬火部位應(yīng)一次同時加熱完成的，否則，如分段加熱，則容易出現(xiàn)軟點或軟帶，直接影響到凸輪軸的表面耐磨性等，對其使用壽命等有直接的影響。

c.完成感應(yīng)淬火后的凸輪軸要立即放進井式回火爐內(nèi)或硝鹽回火爐，如要采用感應(yīng)回火或自回火則要掌握好加熱的工藝參數(shù)，自回火的溫度要高于爐內(nèi)回火50～70℃。

②等溫淬火。

a.球墨鑄鐵制作的凸輪軸大多進行等溫淬火，以獲得貝氏體組織，其等溫冷卻介質(zhì)為硝鹽浴，由于凸輪軸在鹽浴中加熱，淬火時帶入的氯化鹽使硝鹽的老化明顯加快，因此要定期撈渣和補充新硝鹽。

b.為防止出現(xiàn)意外事故，鹽浴爐禁止采用木炭覆蓋在鹽浴表面而減少熱量的散失，其目的是避免其與硝鹽混合而爆炸，同時硝鹽溫度的控制要符合要求，如溫度高于要求，應(yīng)進行必要的冷卻（采用蛇形管等，冷卻水循環(huán)利用）。

c.淬火后的零件采用煮沸的熱水清洗，將凸輪軸上黏附的硝鹽清除干凈，否則出現(xiàn)吸潮和表面銹蝕，將直接影響到外觀產(chǎn)品的尺寸和表面質(zhì)量。

③從感應(yīng)淬火原理可知，頻率不同則淬硬層的深度不同，而頻率越高則淬硬層的深度反而越小，因此，在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)零件的具體技術(shù)要求和工作狀況（即淬硬層深度和性能）來確定合理的工藝參數(shù)，作為中碳鋼制作的凸輪軸，采用中頻淬火處理的工藝是正確的，凸輪軸主要工作表面的中頻淬火應(yīng)分步進行，首先進行支承軸徑和齒輪表面的淬火，最后完成凸輪、偏心輪表面的淬火處理，這樣可確保熱處理后的硬度和組織不受影響。

④凸輪軸的表面氮碳共滲技術(shù)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，在實施過程中，應(yīng)注意工藝參數(shù)對表面熱處理技術(shù)要求的影響。

1.1.3.5　凸輪軸的熱處理質(zhì)量檢驗

凸輪軸的熱處理包括預(yù)備熱處理和最終熱處理（表面熱處理和化學(xué)熱處理等），因此對于凸輪軸硬度、力學(xué)性能、顯微組織、硬化層深度、表面質(zhì)量等項目應(yīng)進行檢驗，這里只列出了感應(yīng)淬火的質(zhì)量檢驗，具體見表1-29，化學(xué)熱處理后的質(zhì)量檢驗可參考其他章節(jié)，這里不再贅述。

1.1.3.6　凸輪軸感應(yīng)淬火常見缺陷分析與對策

凸輪軸的表面淬火主要是感應(yīng)淬火，它實現(xiàn)了鹽爐、可控氣氛、真空爐等無法實現(xiàn)的表面連續(xù)淬火處理，因此得到了極為廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外凸輪軸的制造行業(yè)已將其作為成熟的工藝應(yīng)用于生產(chǎn)中。與其他熱處理工藝方法一樣，對感應(yīng)淬火也應(yīng)一分為二地看待，同樣存在熱處理缺陷的可能，工藝人員和操作者根據(jù)感應(yīng)淬火生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，總結(jié)出部分缺陷產(chǎn)生的原因，同時提出了部分措施和建議，以便于指導(dǎo)今后的感應(yīng)淬火，現(xiàn)匯總?cè)缦拢唧w見表1-30。