汽车半轴热处理工艺及主要工装设计.docx
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汽车半轴热处理工艺及主要工装设计
汽车半轴热处理工艺及主要工装设计
摘要
汽车半轴是位于传动系末端能改变来自变速器的转速和转矩，并将它们传递给驱动轮的机构，是汽车最重要的零件之一。
所以对其的性能要有很高的要求，必须有足够的强度，合理的最佳静扭强度和抗扭转疲劳性能，才能保证汽车能够安全行驶。
汽车半轴热处理工艺直接决定着产品的质量，淬火感应器的设计与制造工艺直接影响淬火件的淬硬区，淬硬深度，与表面硬度。
因此它们的设计十分重要。
关键词：
汽车半轴；正火；调质处理；高频感应淬火；感应器
1汽车半轴热处理概述
半轴是位于传动系末端能改变来自变速器的转速和转矩，并将它们传递给驱动轮的机构。
驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成，转向驱动桥还有等速万向节。
它是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，主要作用是传递力矩，发动机产生的动力通过一系列的传递，最后由半轴传递到车轮。
汽车上承受最大转矩和最容易破损的往往是半轴，所以就要求汽车半轴要具有一定的抗疲劳韧性、强度以及耐磨性。
汽车半轴选用材料是42CrMo，属中碳合金钢调质钢，预备热处理是正火，正火的目的是去除半轴的内应力，提高半轴的硬度，方便钢坯的切削加工、为接下来的调制做准备。
调质处理的目的是使汽车半轴获得良好的综合机械性能。
高频感应淬火是为了使半轴表面获得更高的硬度以及耐磨性、而心部仍保持一定的强度及较高的塑性、韧性。
通过了解42CrMo的特性，并对其热处理工艺进行分析再注意热处理工艺过程的问题。
就可以确定各个热处理工艺的加热温度、时间、保温时间、冷却方式。
就可以制定出合适的热处理工艺，来达到想要的性能、质量。
再根据汽车半轴的工作条件、失效形式和性能方面的要求，其加工流程为：
下料-锻造-正火-调制处理-机加工-高频感应淬火-低温回火-精加工-包装。
其中包含正火、调质处理、高频感应淬火和低温回火四道热处理工艺。
正火是为了去除毛坯的内应力，细化晶粒，提高零件的硬度，塑性略降低，提高切削加工性能，为接下来的调质处理做准备。
调质处理是为了使零件具有良好的综合机械性能，让零件既有优良的强度又有良好的韧性、切削性、塑性。
高频感应淬火是为了能够更快，更节省材料地完成淬火工序，只让零件表面具有高强度、高耐磨性，而心部仍然可以保有一定的韧性和塑性。
低温回火是为了得到隐晶马氏体加细粒状碳化物组织，即回火马氏体，具有很高的强度、硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。
这四个热处理工艺共同组成了一整套热处理工艺，汽车半轴经过这一整套热处理工艺之后，在经过精加工，最后经过检测合格过关就可以投入使用了。
2半轴的加工工艺介绍
2.1半轴的服役条件、失效形式和性能要求
半轴的服役条件、失效形式
汽车半轴零件图如图1所示。
汽车半轴所处的位置特殊，要承受来自各处的复杂的力和扭矩。
它不仅要传递来自发动机的扭矩，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力，纵向力和横向力，以及制动力矩和反作用力。
所以，汽车半轴的服役条件十分的复杂，因此对其的性能要求十分的高。
图1汽车半轴的示意图
汽车半轴是汽车传动系统中一个十分重要的零件。
由于自身特殊结构功能和汽车的使用情况等因素的影响，半轴频繁发生各种失效。
半轴的主要失效形式有星状断口、扭转剪应力开裂、扭转正应力开裂、疲劳磨损、腐蚀、弯曲疲劳折断、冲击折断等等。
图2图3分别为半轴的星形断口和扭转正断断口。
图2半轴的星形断口[1]
图3半轴的扭转正断断口[1]
性能要求
汽车半轴服役条件复杂，根据上述半轴的失效形式可知，半轴要具有高的疲劳极限、高的抗弯强度、较高的韧性、轴的表面要具有高硬度和高耐磨性。
2.242CrMo的简单介绍
材料的介绍
42CrMo钢材属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。
42CrMo钢材从材料分类上来说属于模具钢中的塑料模具用钢，具有良好的机械性能及可加工性，应用相当广泛，主要有板材和圆棒两种类型的材料，其中板材用于模具的加工生产，圆棒用于机械直接加工零件，得到了行业的认可。
42CrMo的C曲线和成分
通过查找《热处理手册》可得知42CrMo的C曲线如下图表示、成分见表1
图442CrMo的过冷奥氏体等温转变曲线及其成分明细[2]
2.3汽车半轴的工艺流程
整个加工路线为：
下料-锻造-正火-调制处理-机加工-高频感应淬火-低温回火-精加工-包装
3半轴的热处理工艺设计
汽车半轴包括正火、调质处理、高频感应热处理和低温回火四道热处理，以下对各道工艺分别进行设计说明。
3.1正火工艺设计
正火是工业上常用的热处理工艺，它作为预备热处理工艺，为接下来的调质处理提供适宜的组织状态。
正火的目的是去除零件的内应力，细化晶粒，提高零件的硬度，塑性略降低，提高切削加工性能，为接下来的热处理工艺做准备。
正火加热温度的确定：
42CrMo属于中碳合金钢，正火加热温度为其Ac3+（50-100℃），由相关资料可知42CrMo的Ac3温度为800℃，所以合适的加热温度范围为850-900℃。
如果加热温度过低则先共析铁素体未能全部溶解而达不到细化晶粒的作用。
反之，加热温度过高会造成晶粒粗化恶化钢的力学性能。
因此最终正火温度确定为860℃。
正火保温时间的确定：
计算保温时间一般有个经验公式：
T=αKD
T-为保温时间（min）α-加热系数（min/mm）
K-工件加热时的修正系数D-工件的有效厚度（mm）
长棒形圆柱体的有效厚度一般指其直径，合金钢可以按照工件的有效厚度每20mm一小时来计算保温时间，估算该半轴毛坯直径为44mm所以保温时间应为两个小时。
表1汽车半轴正火工艺卡
热处理工艺卡片
零件名称
汽车半轴
材料
42CrMo
热处理类型
正火
热处理硬度
210-230HB
设计者
何宗政
加热温度
860℃
加热设备
FZ
审核
保温时间
2h
冷却方式
空冷
日期
装载方式
平放
装载量
50件
3.2调质处理工艺设计
调质处理是指淬火加高温回火，调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，使零件具有良好的综合机械性能。
淬火相关数据的确定
42CrMo钢的含碳量为0.42%，属于亚恭喜钢，所以他的Ac3温度为800℃，亚共析钢的淬火温度要求为Ac3+（30-50℃）,所以确定其淬火温度为850℃。
截面尺寸大或重要的调质零件，应采用42CrMo钢工件淬火后油冷，42CrMo钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。
结合零件的厚度，查阅相关表格可知淬火保温时间为1小时。
高温回火相关数据的确定
根据图5以及硬度要求为HRC35-40可确定回火温度为480℃，保温时间为1-1.5h。
表2汽车半轴调质处理工艺卡
热处理工艺卡片
零件名称
汽车半轴
材料
42CrMo
热处理类型
调质处理
热处理硬度
HRC≥30
加热温度℃
保温时间h
冷却方式
加热设备
推料周期
装载量
装填方式
淬火
850
1
油冷
RCM
5分钟
6件/盘
平放
高温回火
480
1-1.5
空冷
RCW3-70
审核
日期
调质处理生产线介绍
调质生产线是将淬火工艺以及高温回火工艺一体化的连续作业生产线。
具体流程为将待淬火、回火的半轴零件平方在装载零件的装载盘上，然后再将装载盘放到网带上面。
开启开关，装载盘会按照一定的速率稳步有序的进入网带淬火炉，加热到淬火温度后，再进入淬火槽进行淬火。
淬火完毕后在进入网带式回火炉进行低温回火。
最后就得到经过调质处理后的半轴零件。
图5调质处理生产线示意图[3]
图6不同含碳量钢硬度曲线与回火温度关系曲线[4]
3.3高频感应淬火工艺设计
高频感应淬火就是将电流频率调到10khz以上，利用电流的集肤效应，在零件表面形成电流进而加热工件，实现心部和表面不同的热处理状态。
使得表面呈现高强度、高耐磨性而心部仍然具有较高的韧性和塑性。
高频淬火多数用于工业较小的金属零件表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。
感应加热设备，即对工件进行感应加热，以进行表面淬火的设备。
感应加热的原理：
工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电（1000-300000Hz或更高）的空心铜管。
产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个趋肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000℃，而心部温度升高很小。
高频感应淬火相比与普通淬火，它的加热更快，热效率高，表面样化脱碳量少，对零件的冲击韧性，疲劳强度以及耐磨性均有均有很大提高，有利于发挥材料的潜力，节约材料消耗，提高零件的使用寿命。
高频感应淬火相关数据的确定
由于42CrMo的碳含量属于亚共析钢，所以他的感应淬火温度应该设定在Ac3+（30-50℃）之间，所以温度设定为900℃。
前面提到，42CrMo的淬透性较好，所以选择油淬的方式。
高频感应淬火的加热速度快，所以保温时间确定为35s。
表3汽车半轴高频感应淬火工艺卡（）表
热处理工艺卡片
零件名称
汽车半轴
材料
42CrMo
热处理类型
高频感应淬火
热处理硬度
HRC≥50
设计者
何宗政
加热温度
900℃
加热速度
400℃/h
审核
保温时间
约35s
冷却速度
65℃/h
日期
3.4低温回火工艺设计
低温回火的目的是为了消除淬火应力，得到回火马氏体，保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。
低温回火的加热温度一般为150-180℃，根据之前的经验公式可知保温时间为2-3个小时。
表4汽车半轴低温回火工艺卡
热处理工艺卡片
零件名称
汽车半轴
材料
42CrMo
热处理类型
低温回火
热处理硬度
表面HRC45-50
设计者
何宗政
加热温度
150-180℃
加热设备
RJ2-180-6
审核
保温时间
2.5h
冷却方式
空冷
日期
装载方式
吊装
装载量
30根/次
加热设备介绍
本系列电炉有炉体、炉盖、炉盖启闭机构、热风循环装置、保护筐及温控系统等组成；炉体外壳用钢材焊接成形，内用0.6g/cm2超轻质节能耐火砖砌筑成竖井式炉膛，承重部分和易碰撞部位用重质耐火砖砌筑（砌筑时泥浆中加入适量高温粘结剂），增强炉衬结构强度。
保温层采用硅酸铝耐火纤维、石棉板等保温材料，提高炉体保温性能，降低炉侧表面温升。
加热元件采用0C25AL5合金丝，绕制成螺旋状，搁置在炉膛四周的炉丝搁砖上，并用定制插口搁砖固定，防止脱出。
RJ2-40-6型电炉的炉膛较浅，加热元件为一区布置。
炉盖外壳亦用钢材焊接成形，内壁用1Cr18Ni9耐热钢制作，使用寿命长。
炉盖内衬采用硅酸铝耐火纤维作隔热和保温，既可提高炉盖保温性能，又可降低炉盖重量。
炉盖与炉体的密封采用插入式结构，密封材料为硅酸铝耐火纤维或清洁干河砂，防止热量散发。
图7为井式回火炉示意图
图7井式回火炉[5]
4高频感应淬火工装设计
整个高频感应淬火的装置由两部分组成，第一部分是感应器，感应加热表面淬火是通过感应器来实现的。
表面淬火的质量及设备的效率和利用率，在很大程度上都取决于感应器的结构设计与制造。
第二部分是平面喷水圈，它主要的作用是降温，感应器通过较大的高频电流多引起的发热量，必须用冷却水带走。
4.1感应器的设计
感应加热表面淬火是通过感应器来实现的。
表面淬火的质量及设备的效率和利用率，在很大程度上都取决于感应器的结构设计与制造。
感应器的结构
感应器的结构由下列几部分组成：
（1）导电板：
产生高频电流。
（2）导体：
将高频电流输向感应圈。
（3）感应圈：
由它产生高频磁场来加热零件。
图8高频感应器实图[6]
感应器设计的基本要求
实际应用的感应器结构形式虽然很多，但是它们的基本要求是相同的。
只要掌握了感应加热的电磁转换的基本理论，结合生产实践，就可以根据零件淬火的技术要求，设计、制造出良好的感应器。
一般说来，感应器应符合下列要求：
（1）被加热零件表面的温度尽可能均匀；
（2）感应器损耗尽可能小，电效率要尽可能高；
（3）冷却良好；
（4）制造简单，有足够的机械强度，操作使用方便。
感应器设计的考虑方面
（1）感应器和零件之间的间隙
在感应加热中，感应器和零件之间应留有足够的间隙（一般为2-5毫米）。
当感应器和零件之间有间隙存在时，总有部分磁力线在间隙中通过，对零件不起加热作用，这种现象称为漏磁。
而且间隙越大，漏磁越严重。
图9感应加热时的漏磁现象[7]
除了漏磁外，还有个磁力线逸散问题，因为外磁场加热要比内磁场加热的逸散严重的多，所以采用内磁场加热。
（2）感应器的效率
要想提高效率可以减小导电板的长度，并减少导电板之间的距离（一般应小于3毫米），增加导电板的宽度。
增加匝数即增加了感应器的安培匝数及感应导体上的电压，这有利于提高感应器的效率。
但当导电板过长时，再增多匝数，对导电板与导体上的电压分配已无明显影响，但却使总阻抗增加，使感应器上的电流减小，影响输出功率。
所以，应该合理选择感应器的匝数。
（3）高频电流的特性
当高频电流通过导体时，表现出同直流或工频电流不同的特性，了解这些特性将有助于更好的设计感应器。
高频电流通过导体的特性包括:
表面效应、邻近效应。
表面效应再感应加热中欧给可用于两个方面：
第一个是用在高频电流的输配电方面。
第二个是提供选择高频电流频率的依据，即零件表面淬火层的深度应与高频电流透入深度相适应。
临近效应：
当有两个载有高频电流的导体靠近时，再两个导体磁场的相互作用下，两个导体中的高频电流要作重新分布，这种现象称为临近效应。
导体力的越近，该效应越显著。
所以应该合理控制感应器和零件各处的距离。
确定感应器设计
前面经过各方面的考虑和研究，就可以确定感应器设计了。
图5为感应圈设计示意图。
设计图纸见附件1
图10感应器设计示意图
4.2喷水器的设计
1．喷水器的作用
（1）冷却零件进行淬火。
（2）冷却零件进行淬火，冷却感应器。
2．对喷水器的要求
（1）喷水均匀，有一定压力，喷水量大。
（2）喷水柱的中心线通过圆心，当喷水孔的中心线与水平面有一夹角时，要求喷水柱的中心线在一个圆锥面上。
（3）进水口分布均匀，喷水孔呈棋盘式分布。
在钻喷水孔时，不但要保证所有喷水孔相同，而且应保证在没有装上零件时，各孔喷出的水要集中在一点上。
在零件不旋转时，各喷水孔的水量必须均匀一致。
这样才能防止出现局部急冷或冷却不足的现象。
从而避免发生淬火裂纹、软点或弯曲变形等缺陷。
示意图见图6，设计图纸见附件2.
图11喷水圈的设计示意图
5检验
5.1产品的检验
（1）硬度检验：
用硬度计和锉刀检验“H”部分和内齿齿部硬度
（2）外观检测：
不得有裂纹、烧伤、碰伤等缺陷
（3）花键孔检验：
暂用130-2402011合格成品检验。
（4）金相组织检测：
正火后的组织为珠光体+铁素体，调质处理后的组织为回火索氏体，高频感应淬火后得到的表面组织是细小的隐晶马氏体，碳化物弥散分布，低温回火后再次得到回火马氏体。
（5）硬化层深度检测：
杆部的硬化层深度硬化层深度应该在杆直径的10%-20%之间，根据汽车半轴的直径为40mm，多以硬化层深度最大处为4-8mm。
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