1.4　車輛轉向系統、推桿、搖臂件的熱處理工藝與規范

1.4.1　汽車轉向系統零件的熱處理工藝與規范

1.4.1.1　汽車轉向節的熱處理工藝與規范

（1）轉向節的工作條件和技術要求

汽車轉向節是汽車最重要的保安件，它主要承擔彎曲載荷的作用，即承擔彎曲和扭轉應力的作用，其特點是應力在截面上的分布是不均勻的，另外最大應力集中在零件的外緣，越向內部則應力越小。根據上述特性，通常選用調質鋼制造轉向節，將40Cr、40MnB、40CrMo、40CrMnMo等中碳合金鋼鍛壓成形。

某汽車轉向節的示意圖見圖1-86，通常由萬向節叉、十字軸和軸承等零件組成。

（2）汽車轉向節的機械加工工藝流程

其生產工藝流程為：剪切或鋸切下料→鍛造成形→調質處理→切削加工→機械加工→表面淬火→磨削加工→檢驗→防銹包裝。

（3）汽車轉向節的熱處理工藝

毛坯調質處理后的技術要求為：硬度為241～285HBS，金相組織為回火索氏體，在機械加工后轉向節的軸徑、圓角和端面同時進行中頻淬火，硬度為52～63HRC，硬化層深度為3～5mm，組織為細針狀的馬氏體。作為調質零件的轉向節，其加工工序多，有可能因工藝不當、材料不良而成為廢品，因此，在實際制造過程中，廢品多數出現在鍛造成形和調質處理的熱處理加工流程中，常見的廢品缺陷有鍛造過熱、硼脆、銅裂、淬裂、折疊、石墨化脆性以及脫碳等致命缺陷。

從汽車轉向節的材質和工作條件可知，首先對其進行調質處理，確?；w的強度滿足要求，然后對其進行表面淬火。調質處理是在具有保護氣氛的箱式爐或鹽浴爐內進行，轉向節的調質處理工藝為（850～870）℃×70min，冷卻介質為0.2％聚乙烯醇水溶液，在（580～620）℃×3h回火后水冷。表面淬火則采用專用的感應器進行，采用圓柱形感應器進行中頻感應加熱，具體工藝參數見表1-76。

汽車轉向節一般是使用半圈感應器進行表面處理，其感應器的結構見圖1-87。

下面將不同熱處理工藝對轉向節彎曲疲勞壽命的影響列于表1-77中，供參考。

（4）汽車轉向節熱處理工藝分析與實施要點

①轉向節的工作要求為耐磨性好、疲勞強度高，采用中碳合金鋼制造，經過調質處理，基體的強度可以得到保證，表面淬火處理后，表面的硬化層深度和硬度可滿足其工作需要。因此轉向節的熱處理工藝是圍繞著要求合理編制的，從某種程度上反映了其工作要點。

②轉向節經毛坯調質+中頻淬火+低溫回火后，彎曲疲勞次數能比其他普通的熱處理提高了幾十到上百倍，其原因是在調質處理的基礎上又進行了中頻淬火，相當于對轉向節進行了表面強化處理，即表面存在大量的壓應力作用的結果。該感應圈為半圈式結構，其特點是轉向節軸徑、圓角以及端面各部位加熱均勻，硬化層分布合理，同時可對加熱溫度和硬化層進行調節，方便進行批量生產。為了提高加熱效率，在軸向導體和半錐環導體上裝有“∏”形硅鋼片。轉向節的叉子是由碳素鋼或合金鋼等經過鍛造、熱處理，使其形狀具有好的剛性和強度。

1.4.1.2　球頭支承的熱處理工藝與規范

（1）球頭支承的工作條件和技術要求

圖1-88為某汽車轉向節用球頭支承，要求具有一定的強度和良好的耐磨性，同時有高的疲勞強度，在工作過程中尺寸穩定、可承受一定的沖擊作用，因此要求其表面進行淬火處理，具有較高的硬度，來確保耐磨性，具體要求R83mm球面、R14mm圓弧及ф74mm圓柱面均進行表面淬火，硬化區域連為一體。

（2）球頭支承機械加工工藝流程

選用的材料為45中碳鋼，其工藝流程為：下料→模壓鍛造成形→完全退火→粗加工（含車削、磨削等）→表面淬火→低溫回火→校直→磨削加工→低溫時效→檢查→防銹包裝。

（3）球頭支承的熱處理工藝

材料選用45鋼，表面硬度48～58HRC，硬化層深度3～6mm?？紤]零件淬火區域的橫截面尺寸變化很大，為滿足其硬化層深度的要求，要使用特殊結構的感應器，通常采用全淬火面同時加熱淬火技術，其感應器如圖1-89所示。

采用的中頻淬火加熱的工藝參數為：使用8kHz的中頻電流，輸出功率為140kW，零件的轉速為150r/min，加熱時間為5s，加熱完畢全部同時入水冷卻。該方法的缺點為操作不太方便。另外，有些資料介紹，采用局部仿形感應器旋轉加熱淬火技術進行轉向節的球頭支承處理，效果不錯，它克服了全淬火面同時加熱淬火時，感應器操作不便和接觸的零件表面容易燒傷的缺陷，其特征為兩條軸線導線與零件的外形完全相仿，利用鄰近效應的原理，實現了零件的感應加熱，具有結構簡單、調整方便、淬火質量穩定和硬化層分布合理等優點。

（4）球頭支承熱處理工藝分析與實施要點

根據球頭支承的工作特點，其利用專用模具鍛造成形的，本身具有比較復雜的結構，因此，如何實現其局部均勻的熱處理是工藝制定過程中的關鍵問題，比較各種熱處理的工藝方法，能實現局部淬火處理的有鹽浴淬火和中頻感應淬火，根據兩者之間的熱處理特點，選用感應淬火技術是能滿足其硬度和硬化層深度要求的。

采用仿形結構則包括需要表面淬火的全部面積，考慮有效圈直徑越大則中頻電流的密度越低的特點，要采取在不同截面感應器與零件的間隙不同的措施，即直徑小的位置間隙大，而直徑大的位置間隙小，這樣才能確保整個加熱表面溫度的一致，獲得理想的硬度和硬化層深度等。

1.4.1.3　汽車轉向節主銷的熱處理工藝與規范

（1）主銷的工作條件和技術要求

汽車轉向節的主銷為基礎件，起到連接的作用，其熱處理質量直接影響到汽車的性能和使用壽命等，其失效的形式為脆性斷裂和疲勞斷裂。汽車轉向節的主銷是經過連續的冷拉處理的光滑圓柱體，在工作過程中要承受強烈的沖擊載荷和拉伸作用，因此要求主銷的表面具有高的硬度和良好的耐磨性，同時其心部要有一定的韌性。

（2）主銷的機械加工工藝流程

主銷的加工比較簡單，這里不再贅述。

（3）主銷的熱處理工藝

通常采用45鋼制造，有4～5mm的硬化層，表面硬度在48～58HRC之間，心部硬度在25～30HRC范圍內。

①調質處理——預備熱處理工藝　要滿足主銷的熱處理要求，首先進行調質處理，隨后進行中頻淬火，以獲得高硬度和較深的硬化層表面，使其具備較高的耐磨性，而心部有良好的強度和韌性。調質處理通常是在鹽浴爐或可控氣氛網帶爐內完成的，要求基本實現無氧化加熱，調質處理的淬火工藝為（830～840）℃×（15～30）min，5％～10％的鹽水冷卻，高溫回火工藝為（500～550）℃×（90～120）min，保溫結束后空冷。

②中頻淬火——最終熱處理工藝　進行中頻淬火時要采用連續式加熱淬火處理，感應器與主銷的單面間隙應控制在2～3mm之間，噴水冷卻的壓力應符合設計要求，以獲得要求的硬化層深度和硬度。

（4）主銷熱處理工藝分析與實施要點

45鋼主銷要獲得要求的基體強度和硬度，要采用合理的工藝方法和手段，通過調質處理和表面淬火（中頻淬火）則可滿足上述要求，在熱處理過程中，因為其他原因容易出現質量缺陷，影響到主銷的產品質量，應當引起足夠的重視。

①主銷在中頻淬火過程中出現的缺陷之一是淬火裂紋　它的特征是與感應器的噴水孔一一完全對應，表面有凸起是由于冷卻不均勻造成的。因此提高冷卻的均勻性，是減少局部變形和開裂的有效措施。通常采取下列方式：a.增加感應器與主銷的間隙，可顯著減少淬火裂紋的產生；b.水的噴射壓力要適當降低；c.使零件旋轉，可以消除淬火裂紋。

②主銷使用中斷裂　如材料存在嚴重的冶金缺陷、熱加工工藝不當或零件的機械設計存在問題等，都有可能造成主銷的失效，關于該問題應進行具體分析與判斷。

資料介紹［13］轉向節主銷，在對其表面淬火后發生斷裂，其斷口平直。經檢驗化學成分、淬火硬度和組織合格，沿中心線剖開后發現主銷的心部存在明顯的橫向裂紋，由此可見，由于存在因縮孔殘余，心部雜質含量高，故惡化了心部的強度和塑性，在冷拔過程中產生了橫向裂紋，而表面淬火加劇了脆性的增加。

作為球頭銷使用的原材料，在經過冷成形后進行調質處理，粗磨后進行中頻淬火處理，如果原材料本身具有裂紋，則會在裂紋處電阻增加、溫度升高，造成該處的硬化層加厚，此時觀察其裂紋與軸平行，時斷時續，另外，垂直取樣在裂紋兩側會存在嚴重的氧化脫碳等。

資料介紹，根據球頭銷的工作特點，采用低碳鋼如20Cr、20CrMnTi、20Mn2B、20MnTiB等滲碳處理后淬火，與中碳調質鋼表面硬化相比，同樣可滿足其性能需要。

1.4.2　推桿（內燃機推桿）的熱處理工藝與規范

（1）推桿的工作條件與性能要求

推桿是與挺桿有直接關系的零件，它是由桿身、上端頭和下端頭組成，下端頭呈球狀，在裝配時與挺桿內的凹球面配合，上端頭呈凹坑狀，與搖臂上調整螺釘下端的球面相配合，因此，推桿的作用是：將凸輪軸經過挺桿傳來的推力傳給搖臂，為傳遞動力的關鍵部件。推桿是氣門機構中最容易彎曲的零件，因此推桿的兩端面應具有高的硬度、剛度和良好的耐磨性，用鋼或硬鋁制作，鋼制推桿應經淬火和磨光，以保證有足夠的耐磨性。

（2）推桿材料的選用和熱處理工藝

整體結構鋼氣門推桿用45鋼，組合氣門推桿兩頭為20、45鋼，球頭和球面經滲碳淬火后硬度符合要求，45鋼滲碳層深度大于1mm，硬度≥58HRC，20鋼大于0.8mm，硬度≥52HRC。為了減少質量，常做成空心結構，但必須保證有足夠的剛度。

組合氣門推桿要求推桿的頭部不允許松動，電阻焊縫要牢固，要求表面無裂紋、飛邊、毛刺、銹蝕等。

1.4.3　搖臂件（汽車發動機的搖臂和搖臂軸）的熱處理工藝與規范

（1）搖臂和搖臂軸的工作條件與性能要求

它為一不等臂的杠桿件，也稱為雙杠桿，搖臂和搖臂軸見圖1-90，中間的圓孔用來裝搖臂軸。長臂端部與氣門的桿端接觸，短臂端部的螺紋孔用來安裝調整螺釘。搖臂孔內有潤滑油孔。搖臂的作用是把推桿經調整螺釘傳給它的力改變方向傳給氣門端部，使氣門打開進行工作。常采用鋼或球墨鑄鐵制造，為了提高圓弧的耐磨性，提高其使用壽命，通常采用感應淬火處理后進行工作面的磨削，如果磨削參數不當或零件的定位尺寸不準，時常會產生磨削裂紋，具體見圖1-91，在裂紋處可看到因磨削造成的二次淬火的白亮層。搖臂安裝在搖臂軸上，目前氣門搖臂的搖臂體采用鋁合金材料，搖臂頭部即搖臂鑲塊為合金材料，與傳統的鑄鋼搖臂相比，提高了剛度，又減輕了運動部分的重量，降低了慣性力，減少了磨損，故延長了使用壽命。

（2）搖臂軸的機械加工工藝流程

45鋼搖臂軸的工藝流程：下料（切割）→機械加工→粗磨外圓→高頻淬火→精磨外圓→裝配等。

（3）搖臂和搖臂軸的熱處理工藝

①搖臂的熱處理工藝　搖臂在工作過程中，要克服氣門彈簧的預緊力，同時伴有沖擊作用。一般搖臂與氣門桿部端面為疲勞磨損。推薦的粉末冶金成分為2.0％～2.3％碳、11.9％～13.9％鉻、3.13％～4.00％鈮、1.40％～1.90％鉬。粉末合金鑲塊采用壓力成形，然后經過真空燒結處理，隨后進行熱處理：1100～1120℃鹽浴爐加熱，保溫時間按10～13s/mm計算，在80℃以下的油中冷卻，硬度為51HRC以上，通常采用箱式或井式爐回火，530℃×1h×2次，回火的基體組織為回火馬氏體+殘余奧氏體，顯微鏡下可以看到細小條狀和小塊狀碳化物均勻分布在基體上，硬度為50～62HRC。

②搖臂軸的熱處理工藝　汽車發動機搖臂軸及淬火感應器見圖1-92，采用中空的45鋼管制造，最佳含碳量為0.42％～0.47％。45鋼毛坯預先調質硬度為207～247HBW，有6處需要表面淬火處理，硬度在58～63HRC，硬化層深度為1～1.5mm。