朱正德，李偉(上海大眾動力總成有限公司，上海201807)

鑄鐵曲軸圓角強化工藝的拓展與驗證

朱正德，李偉
(上海大眾動力總成有限公司，上海201807)

感應淬火作為一種表面強化工藝雖很成熟，但迄今在小排量發(fā)動機鑄鐵曲軸圓角強化處理中仍然是空白。近年來已有國內企業(yè)成功地將這一工藝替代機械滾壓，用于曲軸圓角強化工序。文章介紹了為此所執(zhí)行的一系列有針對性的工藝措施，從而確保了運行的正常和產品的穩(wěn)定。為了驗證這項新技術的實際可行性，文章還著重介紹了通過對零件表面的硬化層性狀的檢測，及藉助殘余應力分析予以評價。

發(fā)動機曲軸;圓角感應淬火;殘余應力分析

0 引言

用于1.6L及以下的小排量發(fā)動機的曲軸一般稱為小型曲軸。眾所周知，軸頸圓角是加工中難度最大，也是發(fā)動機運行時最容易成為裂紋起源的位置之一，出于提高曲軸疲勞強度的目的，必須對圓角進行強化處理。感應淬火作為一種強化工藝雖已很成熟，并在中、大功率發(fā)動機曲軸軸頸表面及圓角實施一次性感應淬火強化處理已有成功經驗［1-2］，可是，對于以鑄鐵材質為主的批量更大的小排量發(fā)動機曲軸，因這時的強化區(qū)域是一個既包含軸頸面又包含左右兩側圓角的弧形區(qū)域，此時曲軸的有待強化的圓角(R角)更小，很多情況下甚至僅為1.0 mm～1.2mm，從而大大增加了對它們進行淬火加熱的難度。因為在采用淬火工藝時，若沒有更為精巧的圓角淬火感應器(淬火頭)，以及更嚴謹的控制技術，就很難有效地對凹處(R角)進行可靠的強化處理。故面對小排量發(fā)動機球墨鑄鐵曲軸的圓角強化處理，迄今“軸頸面淬火+圓角滾壓”依然是國內、國外汽車制造業(yè)的主流工藝。

圖1 “軸頸面淬火+圓角滾壓”及“強化區(qū)域一次性淬火”

1 小排量發(fā)動機球鐵曲軸圓角感應淬火的工藝實施

1.1 半開放式感應淬火線圈的應用

為了使“軸頸表面和圓角一次性感應淬火”(見圖1右)能適應批量生產的需要，在實施階段還需要解決諸如:高性能的專用感應淬火頭、確定最佳的熱處理工藝參數(包括對淬火頭的調整)，以及通過對感應淬火頭采取的一些節(jié)能優(yōu)化措施，使其既有較明顯的節(jié)能效果，又能提升曲軸的強化質量。

之前為企業(yè)普遍使用的同心圓形狀加熱線圈存在一個致命的弱點，即很難充分地對最需要予以強化的圓角部位進行加熱，因此無法使圓角形成具有目標強度的硬化層。而在改成為半圓形線圈，采用被稱為“單次淬火”的工藝方案后，就不但能提高工件的表面強化的質量，而且通過采取有效措施，還能取得更高的熱能利用率，此外，在與軸成直角方向裝卸工件，操作更為方便，還可同時實施加熱和冷卻。

實際配備的淬火感應裝置，主要由含矽鋼片的感應核心銅管、兩側外殼銅板、淬火液銅管、絕緣膠合板、鎢鋼頭經螺釘連接件等部分組成。圖2左即是銅管結構示意圖，其核心是含矽鋼片的感應銅管，它既是感應電流利用電渦流進行加熱的感應線圈，同時也是內部去離子冷卻水的銅質冷卻水管道。工作原理是利用交變電流在感應銅管中形成的交變磁場，在對應的曲軸軸頸表面產生感應電渦流，從而加熱軸頸，當達到一定的溫度時，淬火液銅管中噴出的淬火液將對軸頸激冷，實現了淬火?，F今在用的淬火感應裝置，多數是由一根感應銅管繞制而成，這樣容易造成在較長的感應加熱區(qū)域的后段銅管冷卻不良。但圖2右所示的整個半圓區(qū)域感應銅管則是由兩根獨立的銅管繞制而成，兩根銅管“進水”分開，而“出水”最后復合一個出口。其優(yōu)點是提高了冷卻效果、保證淬火質量，并優(yōu)化了淬火頭的制造工藝。

圖2 淬火感應器外觀(左)和銅管結構示意圖(右)

1.2 調整并優(yōu)化相應的工藝參數，提高零件表面強化處理的質量

在實施圓角淬火時，因短時間內獲得的大量熱量，會產生很大的內應力，而鑄鐵毛坯強度有限，故當批量很大時將出現產生裂紋的趨勢。相比之下，鍛鋼的淬透性要好得多，其本身強度也很高，故不會有此缺陷。體現在淬火強化后的要求，即淬火深度，只需1.0mm的，而鑄鐵就需要1.8mm，否則就難以滿足扭轉疲勞試驗需要的最低要求。在對LT2線(LT代表公司所在地)長時間的調整、試驗后發(fā)現，必須改變淬火機頻率這個核心參數。由于頻率越低，磁感應渦流集附效應就越低，在同等能量情況下越容易形成較大的淬火區(qū)域。但因能量密度低，淬火組織差于高頻率淬火，而且在淬火區(qū)域與非淬火區(qū)域的過度區(qū)較大，其中組織轉換不完全。最終經過反復降頻試驗后，發(fā)現在同等能量下，10.5kHz為最優(yōu)方案。

在對另一條生產線進行調試時，則發(fā)現2個電壓的參數VGC、脈沖雖都已通過，但深度不夠或有微觀裂紋。因此需對2個電壓的參數予以優(yōu)化。鑒于前幾次設置的電壓較高，導致當深度滿足時，出現微觀裂紋，因此就把降低電壓以確保沒有裂紋、且深度又合格作為優(yōu)化目標。

一開始，在采用原來淬火頭(僅略調整其角度，并稍微改變與軸頸面間隙)的情況下進行降壓，經測量，發(fā)現軸頸處有改善，但PL2(連桿軸頸2)及圓角部位的深度幾乎沒變。之后在檢查機床每檔的能量監(jiān)控，發(fā)現PL2的能量比其他低很多(電壓近似)。這是實際有效功率，因此確定PL2淬火頭的感應加熱能力不足，遂拆下所有的連桿頸淬火頭檢查。發(fā)現PL2淬火頭矽鋼片明顯比PL1的覆蓋寬度小、數量少，這表明了感應能力的不足，也正是問題的癥結所在。進而又對所有連桿頸淬火頭做拆卸檢查。之后在更換了合適的感應淬火裝置，在選出能量利用率最高的四個組成一套，重新安裝好，開始調試能量。在反復調試電壓和切開測量后，才最終確定了MFU電壓值。最后在此電壓的基礎上，建立分為加淬火延時(參數2)和沒有淬火延時(參數1)兩套參數，獲得了MFU。再對PL加熱時間由12s降低到10s，同時提升電壓，保證圓角深度，從而完成參數3的MFU的確定。

1.3 淬火感應器的節(jié)能優(yōu)化

優(yōu)化措施1:改善感應銅管截面形狀，由方形改為斜平行四邊形，使銅管圓角和側邊盡量地靠曲軸圓角和側邊，見圖2左。根據軸頸和淬火頭的結構設計，在同時對軸頸面和圓角的淬火中，最困難的就是對圓角的淬火。由于此處是淬火裂紋的易發(fā)區(qū)，也是淬硬深度難以達到的區(qū)域。因此優(yōu)化重點就是對曲軸圓角的淬火，以便把主要能量用于圓角區(qū)域的感應加熱。而軸頸面中部淬火區(qū)是由兩邊圓角加熱能量延伸匯合后而最終形成，同時加寬加厚感應銅管的截面尺寸，使其截面積增大以提高冷卻水流量，保證良好的冷卻效果，圖3為感應淬火頭的核心銅管的截面示意圖。

圖3 感應淬火頭核心銅管截面

優(yōu)化措施2:在實施優(yōu)化措施1的同時，擴大矽鋼片的覆蓋角度(即增加矽鋼片的整體寬度)(圖2右)，以提高電磁感應效率和磁導率。既提高感應器將感應電能以最大效率轉化為加熱曲軸的電渦流，使感應淬火以較低的能量就能獲得很好的淬硬深度。同時應盡量選擇磁感應強度高、鐵損低、疊裝系數較高的優(yōu)質矽鋼片。優(yōu)化措施3:兩側銅板開孔，鎢鋼頭的安裝定位孔從2個增加到3個;兩側鎢鋼頭由金屬材料改為無磁導性的陶瓷，頭部改為扁平內凹形，以增大與軸頸接觸面。在感應核心銅管附近，由于交變磁場的存在，只要具有磁導性的導體在交變磁場下都會產生渦流而形成渦流損耗。根據渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導體的運動和幾何形狀，及磁導率和電導率等因素有關。故盡量將電磁感應核心區(qū)域的導體體積減小或分割小塊，如兩側銅板較多開孔或選擇無磁導性的陶瓷材料取代鎢鋼頭。

優(yōu)化措施4:結合淬火感應器硬件的優(yōu)化改造，相關淬火參數也做相應的節(jié)能優(yōu)化。由于曲軸連桿頸在OT(上止點)處的材料少而UT(下止點)處的材料多，因此對于相同的淬火深度要求，OT和UT的淬火能量需求不同。故通常設置為兩段電壓:OT處(60°～240°或90°～270°)為最低電壓，UT處(240°～60°或270°～90°)為最高電壓。現節(jié)能優(yōu)化為四段電壓:OT處為120°～240°—最低電壓，右側過渡區(qū)為240°～300°—中間電壓，UT為300°～60°—最高電壓，左側過渡區(qū)為60°～120°—中間電壓。這樣在整個軸頸圓周上根據具體深度單獨調整能量，實現了滿足最小深度的質量要求下能量最低，從而實現降能優(yōu)化。另外，鑒于曲軸在做脈沖疲勞實驗時，最危險的截面就是從連桿頸的UT到主軸頸的OT這一最小截面。而連桿頸的兩側過渡區(qū)恰好接近這一危險截面，因此增加的兩個側邊電壓可仔細調整以利于保證這一截面的強度。

2 經過感應淬火強化處理形成的硬化層性狀的測試

工藝驗證指的是，企業(yè)對一項新工藝或制造技術在批量生產條件下的可行性進行的確認。而對上述工藝過程的監(jiān)測，本質上屬于對零件制造質量的一種評價。而且作為評定依據，將主要通過以下二個方面的試驗，及對結果的分析來進行評價:①硬化層的性狀，包括硬化層深度、硬度和金相組織;②在工件表層形成的殘余應力場的狀況。為了使驗證、評定的過程和結論更具科學性，除以上的“正面”評價外，又同時進行橫向比對試驗、再通過對獲得的實驗數據的分析，使最終獲得的驗證結論更具有說服力。

此處提到的另二種形態(tài)，是指:①以傳統(tǒng)方式生產的EA111自然吸氣發(fā)動機曲軸;②采用新強化工藝的曲軸中，還有20%左右的鍛鋼件，用于渦輪增壓機型。對于前者，無論是產品本身或所采用工藝都很成熟，而后者因材質為鍛鋼，其屬性決定了經感應淬火強化處理后的效果將更加穩(wěn)定。工藝驗證就以現今常用的“對標”的方式進行，標樣即為EA111的1.6L滾壓曲軸和EA211的1.4L TSI曲軸。

2.1 對試樣表面形成的硬化層的性狀的全面測試

采取感應淬火熱處理工藝進行零件強化的優(yōu)勢，不單是所產生的馬氏體相變，所形成的表面硬化層，提高了工件的耐磨性，更重要的是由此所形成的硬化層深度較大，從而可以充分利用其深層的硬化特性，有效地提高諸如曲軸的抗疲勞強度。但因為由機械強化形成的殘余壓應力集中在表層，潛藏的不太深，一定程度上降低了其穩(wěn)定性。因此，對于采用感應淬火后形成的硬化層的性狀進行全面的測試，是驗證執(zhí)行這項強化處理效果的重要一環(huán)。測試和評定的依據是標準，既有GB/T 9450-2005(鋼件滲碳淬火硬化層深度測定和校核)這類國標，也有大企業(yè)集團推出的針對性更強、內容表述更具體的專業(yè)標準，本項驗證測試所參照的是大眾標準PV1069-2013，即“感應淬火的球墨鑄鐵曲軸表面硬化層的相關試驗”。圖4給出了被測試曲軸的受檢部位，覆蓋了工件的所有區(qū)域，體現了全面、細致、科學的特點。至于圓角，還強調了務必測出對應(主軸頸或連桿頸)的左右兩處，參見圖5，其中左下和右上的箭頭所指為PL2、即第二連桿軸頸進行檢測時的相應圓角示意。

圖4 被測試曲軸的受檢部位示意圖

圖5 需要測試的圓角示例

表1是五種曲軸經表面強化后硬化層的測試結果。從中可見，經過感應淬火強化處理后的球墨鑄鐵曲軸，硬化層深度要求控制在1.8～5.2mm之間。而確定原則是按自表面以下一定距離開始，垂直于0表面隔一個值就利用顯微硬度計測出一個維氏硬度，至硬度值為某一定值時，該位置距0表面的距離即為硬化層深度。該定義與GB/T 9450-2005的表述是一致的，只通用標準中邊界值規(guī)定值為450HV，而在這里規(guī)定值為325 HV。至于打點時的間隔和逐點測試硬度時的負載均由企業(yè)自定。這里將以表1中“(LT3.1) EA211 1.6l MPI”為例予以說明。

表1 五種曲軸經感應淬火強化或滾壓后硬化層的測試結果

圖6是通過在硬化層深度范圍逐點測試，而繪制出來的硬度梯度曲線，縱坐標是硬度，橫坐標為深度，在曲線繪制完成后，就可以對硬化層深度合格與否做出判斷，此處選圓角位置，為1.7mm，與合格線下限很接近。另外，對應的金相組織的評定也相當完善，除了需在報告中有如表1那樣的說明外，均要求附有各個被檢位置的金相圖(參見圖6)。圖7中最左一幅圖是在做金相試驗時尚未進行腐蝕時的狀況，反映了試樣在常態(tài)下的組織形態(tài)，尤其是石墨球化的情況，顯然是很不錯的。中間和右圖對應于在采用在3%硝酸腐蝕下產生的金相組織顯微圖，分別為:淬火區(qū)域、非淬火區(qū)域，均為正常。

圖6 在硬化層深度范圍逐點測試后，繪制出來的硬度梯度曲

圖7 對應試樣的金相組織圖的示例

2.2 對測試結果的觀察和分析

經對表1中的測試結果的觀察、分析后，再予以歸納，可以清楚地看出:①本次以工藝驗證為目的的試驗的主體即企業(yè)在生產中占產量80%左右的球墨鑄鐵曲軸，在采用了整體式感應淬火的強化工藝后，其表面經過強化處理后的質量是可以保證的。實際上，通過表面硬化層性狀測試的結果已經充分表明，無論是過去三年多來的幾十份曲軸表面的硬化層檢測報告，還是近期為了獲取最新的狀態(tài)而專門又做的試驗的數據、都顯示和表明了，即使那些實測值相對稍微差些、處于在下限附近的樣本，事實上它們的占比也很小。②至于只占工作量20%左右的鍛鋼件，其圓角的硬化層深度大多接近允許值下限，而且按照材料標準，對金相組織雖有要求，但圖紙上則并未明確的要求可見，技術上對圓角經感應淬火強化后鍛鋼件的疲勞強度的提升是有充分信心的;③最后再分析一下球墨鑄鐵曲軸圓角在經過滾壓強化處理后的狀況，表1可見由滾壓這種機械強化產生的硬化層的深度其實是相當淺的，很少達到1mm。這也意味著，那抵御疲勞破壞所必須的殘余壓應力都集中在表層，從而降低了抵抗工作中疲勞載荷的穩(wěn)定性。但鑒于滾壓作為傳統(tǒng)工藝已相當成熟，且圓角并未經熱處理，故對所形成的硬化層并沒有任何技術要求。相比之下，曲軸圓角采用感應淬火強化后，其硬化層深度遠大于它，充分表明了這一深層硬化特性對提高曲軸等零件的強度，進而為實現零部件輕量化十分有利。

3 表層殘余壓應力的形成及其對提高零件疲勞強度的意義

3.1 影響汽車零件工作壽命和性能發(fā)揮的原因及改善的途徑

統(tǒng)計表明，80%以上汽車零件的失效由疲勞破壞引起的，失效總是發(fā)生在零件中工作應力/材料強度比值最高的部位(稱為危險部位)，因此提高工件疲勞強度只能通過:①降低零件危險部位工作應力，②提高危險部位材料疲勞強度。以曲軸為例，承受交變的彎曲、扭轉復合載荷，連桿軸頸圓角(相對彎曲載荷)和主軸頸圓角、軸頸上油孔(相對扭轉載荷)是最危險的部位。而感應淬火正是藉助工件表面金相組織的改變，提高了危險部位的材料強度，進而通過表層產生的殘余壓應力，降低了外加載荷拉應力的影響。雖然曲軸承受著彎、扭復合疲勞載荷，但結構特點決定了:①其扭轉強度遠大于彎曲強度;②對4缸機以下，主要以(平面)彎曲負載為主，在6缸機及以上，才可能出現扭轉大于彎曲的情況;③實踐表明，曲軸主要的失效形式為彎曲疲勞破壞［3］。而在發(fā)動機曲軸斷裂失效中，80%是由彎曲斷裂引起的，而且如前所述，對以四缸機為主的小排量發(fā)動機的曲軸，其平面彎曲(見圖8)強度更是最低［4-8］。

圖8 曲軸經受平面彎曲負荷示意圖

3.2 為工藝驗證進行曲軸圓角殘余應力測試的實施過程

工程力學告知，當曲軸受到如圖8所示彎曲載荷作用時，將在工件上部軸線方向產生拉應力，而由于曲軸承受的是交變載荷，故實際上，上部由主軸頸與曲柄、即扇形板連接處的二處圓角，以及與之對應的連桿軸頸與左、右曲柄連接處圓角均為危險區(qū)域，分析表明，四缸機上的這四組連桿軸頸內側圓角乃是曲軸最危險的區(qū)域。因此，要確認圓角強化后產生的殘余壓應力是否足以抵御上述由彎曲造成的拉應力時，就只需檢測沿工件軸線方向的正應力即可。按國外一個專業(yè)標準(PV1005-2005)的規(guī)定，要在曲軸圓角完整地建立殘余應力場，需要按輻射狀地在90°范圍內、每隔15°就進行一次由表及里的測試，采用電解腐蝕的“剝層”方式，除了第一層為0.2mm，之后每0.5mm再取一點。顯然，這項實際操作的要求很高，在圓角半徑僅為1.2～1.5mm、又是位于連桿軸頸內側的情況下，即使利用如Proto型那樣的先進檢測儀器，并采取更靈活的側傾法，也很難完成全部測試。然而就如前述，此次進行試驗的目的是通過比對、“對標”的方法，以確認在運用不同的強化工藝時，都能抵御曲軸工作狀態(tài)下的所產生的拉應力的影響。因此，實際進行測試時，只選擇在45°方向，且按不等距離的方式來進行采樣［9-10］。

圖9 曲軸圓角經滾壓和感應淬火強化處理后的殘余應力場的對比

按PV1005-2005的要求，在規(guī)定的EA111和EA211等5根曲軸上，截取形狀與圖8類似的試樣，置于Proto應力測試儀上利用側傾法進行檢測，每個試樣自表面起通過電解腐蝕“剝層”方式采集10個點，采取了不等距的測量以便于分析、比較。為看得更清晰，在圖9中只繪制了二條曲線，反映了經滾壓和感應淬火兩種強化處理后的殘余應力場的狀況。雖然后者只取了一個樣本，但后面的實測數據表明，其他樣本的幾個起點和走勢相似。之前，還曾將對整根曲軸置于儀器的托架上，采用“同傾法”對工件的連桿軸頸表面進行殘余應力測試。表2給出了工件在這二個位置的實測值。結合圖8中顯示的殘余應力場的情況，可以看出以下一些規(guī)律，這將有利于人們加深對不同強化工藝的了解，也為在制定工藝做出選擇時提供了依據。

表2 5種典型曲軸的圓角表面和軸頸表面殘余應力的實測值(單位:MPa)

(1)進一步映襯、證明了前一節(jié)中關于曲軸圓角經滾壓及感應淬火強化處理后的不同性狀，與后者相比，前者形成的殘余壓應力集中在表層，潛藏的不太深，從而一定程度上降低了其穩(wěn)定性。反之，通過對殘余壓應力場的測試，表明采用感應淬火后，無論在深度上還是穩(wěn)定性都高于滾壓強化。

(2)關鍵是必須確保，當曲軸圓角半徑很小時、還必須保持感應淬火工藝的穩(wěn)定狀態(tài)。至于實測的殘余壓應力的大小雖有差異，但只要在一個數量級，也照樣可以達到上述的強化效果。

4 結束語

眾所周知，發(fā)動機是汽車的心臟，曲軸又是發(fā)動機的關鍵件。因此，確保其有足夠疲勞強度的強化工藝的重要性不言而喻。而為了簡化生產流程、提高產品質量、降低制造成本，文中介紹了執(zhí)行一次性感應淬火工藝的實踐過程，以及通過如何對所形成的曲軸圓角表面硬化層的性狀測試和表面殘余應力分析，以驗證這一新的強化工藝的效果和可行性。從而為眾多同類企業(yè)提供了可以借鑒的成功案例。

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(編輯李秀敏)

Expand and Verification for Strengthened Process of Cast Iron Crankshaft Fillet

ZHU Zheng-de，LI Wei
(Shanghai Volkswagen Powertrain Co.，Ltd.，Shanghai201807，China)

Recently based on simplifying the manufacture process，promoting the parts quality and reducing production cost，induction quench instead of fillet rolling w as used in the crankshaft strengthened process for small displacementengine.This article describes a series of the process performed to ensure the stable operation of normal and products.In order to verify feasibility and evaluation of this new technology，a series of tests about the performance of hardening layer and analysis residual stresses have been done.

engine crankshaft;induction quench of fillet;analysis of residual stress

TH162;TG506

A

1001－2265(2017)04－0148－05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.04.038

2016－08－01

朱正德(1945—)，男，上海人，上海大眾動力總成有限公司教授級高級工程師，研究領域為計量與檢測，(E－mail)13564011215@163.com。