预处理对感应淬火40Cr汽车半轴组织与扭转性能的影响_热处理网
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预处理对感应淬火40Cr汽车半轴组织与扭转性能的影响
来源:温州大学机电工程学院作者:王福磊
试验研究了冷拔和正火两种预处理对经中频和低温的40Cr 汽车半轴组织和抗扭性能的影响。结果表明，随工件感应加热移动速度的减缓，抗扭强度、最大扭矩和断时扭角增加，相同移动速度下的扭力性能好于冷拔态。900 mm/min 的移动速度使两种状态预处理的半轴都获得良好的扭转性能。
汽车半轴是汽车的重要传动部件，是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。汽车半轴受到的是轮毂驱动扭矩和车体弯矩，在汽车行驶时，半轴上的拐角和尖角处容易发生应力集中，产生疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展而发生断裂，影响汽车的安全性能。
目前有较多的半轴生产厂家出于节约能源和降低生产制造成本考虑，在生产过程中采用冷拔圆钢直接进行中频感应淬火后低温回火得到最终产品，所生产的汽车半轴性能虽能满足使用要求，但因冷拔处理得到的组织难以控制，对后续获得高质量的淬火组织会产生不利影响，可能导致最终产品的质量参差不齐，使用性能不够稳定。本文试验对比研究了冷拔和正火两种不同的对半轴感应淬火组织与扭转性能的影响，对于采用感应加热处理半轴前正确、合理地制定预处理工艺以保证获得较高质量的淬火组织从而达到较高的扭力性能提供一定的科学依据。
1、实验材料与方法
采用热轧后经冷拔成型的40Cr 圆钢半轴作为实验材料。其主要化学成分(质量分数，%)为0.41C，0.24Si，0.67Mn，0.93Cr，0.021S，0.023P，余为Fe。汽车半轴的预处理采用热轧+冷拔、热轧+冷拔+正火两种状态。热处理采用中频感应加热淬火和低温回火。其预处理和中频感应热处理及回火处理的主要工艺条件见表1。通过对比试验，考察冷拔和正火两种预处理组织状态对感应淬火并回火的组织及扭转性能的影响。
经中频感应淬火处理并回火的汽车半轴试棒在5000Nm 级的扭力测试机上进行扭转性能试验，扭断后的半轴试棒在断口附近线切割成试块，在试样磨抛机上制备成金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐刻处理后在Zeiss倒置智能数字材料显微镜上观察组织形貌。采用VS-1000 型数显显微硬度计测量半轴的剖面硬度，将测量的维氏硬度值换算成洛氏硬度值，并绘制剖面硬度梯度曲线。所有的硬度和扭转性能的试验数据取自三个试验数据的平均值。
表1 40Cr 汽车半轴的预处理和中频感应
2、结果分析与讨论
2.1、不同预处理对40Cr 半轴扭转性能的影响
图1是冷拔和正火两种预处理状态的半轴在不同的中频感应加热淬火移动速度变化下，经低温回火后所测得的平均抗扭强度、平均最大扭矩和断时扭角。可见，随感应淬火移动速度的提高，两种预处理状态试棒的平均抗扭强度、平均最大扭矩和断时扭角变化除冷拔态断时扭角在1100mm/min 移动速度时稍有增加外，其他基本上呈下降趋势。比较起来，正火态在各个移动速度下的平均抗扭强度均高于冷拔态，900mm/min 移动速度下获得最大的抗扭强度，冷拔态的为1314.9 MPa、正火态的达到1374.04MPa曰1200mm/min 的最快移动速度下的抗扭强度最低，分别仅为1009.46 MPa (冷拔)和1148.23MPa(正火)。最大扭矩也出现在900mm/min的移动速度下，冷拔态的为3350.63Nm，正火态的为3501.33Nm。在1200mm/min 移动速度下的最小扭矩则分别仅为2740 Nm(冷拔)和2925.93 Nm(正火)。断时扭角的变化基本上与抗扭强度和最大扭矩的变化相同，最慢移动速度获得最大断时扭角，最快移动速度则得到最小断时扭角，分别是900mm/min的174.41&(正火) 和164.47&(冷拔) 以及1200mm/min 的156.1 &(正火)和131.5 &(冷拔)。由图1 可以看出院在相同的中频淬火工艺下，预处理为正火态的汽车半轴平均抗扭强度、平均最大扭矩和断时扭角均较预处理为冷拔态的有一定提高。在移动速度为1000mm/min 时，正火预处理的最大扭矩达到了技术要求，而冷拔预处理的未达到要求曰在移动速度为900mm/min 时，两种预处理都可以达到所要求的最大扭矩。
图1 抗扭性能与感应加热移动速度的关系
2.2、不同预处理对40Cr 半轴剖面硬度的影响
图2是在不同移动速度下(mm/min)采用冷拔与正火两种预处理的40Cr 半轴经中频感应淬火并低温回火后的剖面硬度梯度曲线。可见，半轴预处理对试棒的硬度有明显的影响。剖面硬度曲线呈现阶梯状形式，分别为高硬度的淬硬区、硬度急剧下降段的过渡区和低硬度且变化较平缓的心部区。随着距表面距离的增加，硬度值下降。对于1000mm/min 的移动速度，4.5mm 层深段的淬硬区硬度为55～60HRC，其中近表层冷拔态预处理半轴的硬度稍高，而硬度急剧下降到约27HRC 时正火态的有较宽的过渡区，其有效淬硬层(逸40HRC)深
度约5.2mm，占半轴直径的22%曰对于900mm/min移动速度工件在4.5 mm 层深段的淬硬区硬度为52～60HRC，其中在近表层正火态试棒的硬度低于冷拔态，而正火态试棒的有效淬硬层深度达到7mm，占直径的28%曰冷拔态的有效淬硬层深为5.7mm，占直径的26%。正火态半轴过渡区宽度明显大于冷拔态，在50～30HRC 硬度范围和4~8mm 层深内平均比冷拔态的宽约0.5 mm。而总层深(逸20HRC) 除1000 mm/min 速度的正火态为6.3mm 之外，其余都在9mm 以上，占直径40%左右。
图2 不同预处理时40Cr半轴的剖面硬度梯度曲线
2.3、不同预处理对半轴扭转性能和剖面硬度的影响分析
上述试验结果表明，40Cr 汽车半轴采用冷拔和正火两种不同的预处理状态可以明显影响到半轴的抗扭性能。主要是通过影响感应淬火硬化层、过渡层和心部组织进而影响其剖面硬度梯度的分布，包括有效淬硬层深度、总层深和心部组织硬度等。图3 是采用冷拔和正火两种不同预处理的半轴经中频感应淬火并低温回火后的金相组织形貌比较。可见，两种工件在相同的1000mm/min 移动速度下，冷拔态试棒的淬硬层组织晶粒较粗大，回火马氏体针状特征明显，见图3(a)曰其心部组织由呈黑色状珠光体和白色状铁素体组成，见图3(c)，比较起来，正火态的淬硬层组织是隐针回火马氏体+较浅颜色状的残余奥氏体，见图3(b)，其残余奥氏体量多于冷拔态的。这使得正火态钢中由于马氏体数量较少使其淬硬层硬度不如冷拔态的高。而较低硬度淬硬层的韧性要好于高硬度淬硬层，其内应力下降、脆性降低，不易在表层萌发微裂纹。由于冷拔预处理前半轴是热轧棒材，其组织难以精确控制，从其心部组织可看出珠光体晶粒较正火组织的粗大，而正火工艺由于是加热到奥氏体相区又发生了重结晶，控制好冷速可以获得细小晶粒组织，不仅消除热轧组织中的残余应力，还可起到均匀组织细化晶粒作用，同时为感应淬火做好组织上的准备。
图3 不同预处理半轴经中频感应淬火并低温回火后的金相组织(移动速度1000mm/min)
半轴扭转性能的改善，除了与正火预处理所具有的良好组织有关外，还与有效淬硬层深度、总层深及表层硬度密切相关。剖面硬度梯度曲线表明，两种移动速度的正火态试棒的有效淬硬层深度分别占直径的22%和28%，随移动速度减慢，有效淬硬层深度和过渡区均增加，同时正火态试棒的表层硬度也低于冷拔态。受扭转载荷作用的工件，若不考虑应力集中影响，其表面的切应力应最大，而中心切应力为0。表层具有稍低的硬度，可适当增加韧性，降低淬火应力，减少切应力的有害作用，不利于裂纹在近表层的萌生，对提高抗扭性能有利。过渡区中由于存在拉应力，也终常导致在此区域萌生裂纹，随移动速度减缓，过渡区增宽并向中心移动，而正火态工件过渡区又明显宽于冷拔态，相当于将裂纹萌发区向韧性较好的中心区移动，延缓了裂纹源的成核，对提高抗扭性能起到积极作用。有研究表明[3-4]，当有效淬硬层(逸40HRC)深度占直径20%～30%时可获得良好的抗扭性能，过深的淬硬层会导致表层压应力的降低，对抗扭转疲劳性能的改善不利。因此，从提高抗扭转疲劳性能上考虑，静扭强度、总层深和心部硬度都很重要，都要与有效淬硬层合理匹配才能获得良好的综合扭转性能。
(1) 在本试验条件下，以冷拔和正火两种工艺作为预处理以及感应淬火和低温回火作为终处理的40Cr 汽车半轴，随工件感应加热移动速度的减缓，抗扭强度、最大扭矩和断时扭角增加，其中在相同移动速度下的扭力性能，正火态预处理的好于冷拔态。900mm/min 的移动速度使两种状态预处理的半轴都获得良好的扭转性能。
(2) 正火工艺用于半轴的预处理可均匀组织、细化晶粒，使相同移动速度下的有效淬硬层深度和过渡区宽度大于冷拔态的，并且过渡区内在同一层深下的正火态硬度值高于冷拔态的。对应较优扭力性能的900mm/min 移动速度可使冷拔态和正火态预处理的半轴获得的有效淬硬层深度占直径的百分比分别达到26%和28%。
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感应淬火的问题
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请教各位热处理高手：在确定感应淬火参数的时候，对要求的硬化层深度在设计时是根据感应电流透入深度来确定的还是主要考虑传导加热来确定？过渡区的影响因素有哪些，如果对过渡区的宽度有要求的话，怎样通过参数调整来实现？
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这个话题我也想知道，关注中，请高手指教。
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硬化层深度主要通过感应电流透入深度来确定；过度区的深度影响因素有许多，主要是淬火介质的冷却能力；通过工艺试验来解决过渡层的宽度要求
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调整线圈的圈数和电容配比来控制感应电流透入深度。
传导加热用线圈运动速度来控制
用一生的耐心去面对失败。
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深度的影响因素也有很多的。除了上述的几个以外，还有就是电源的频率，它也能影响深度。另外，如果热影响区的宽度的确定也如上，要靠工艺摸索了。
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淬硬层深度与电流频率和电流透入深度有关,但频率不影响过渡层的深度吧!
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电源频率就是决定电流透入深度的。凡是对透入深度有影响，也就是影响到加热，和对冷却速度有影响的，也就是冷却的因素，都影响过渡层的深度。
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我也很想知道过渡层深的影响因素主要有哪些!
请教一下,淬火介质水箱在循环时产生了很多泡沫时,这对介质的冷却能力的影响会不会很大啊?
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引用第2楼dxw001于 21:37发表的:
硬化层深度主要通过感应电流透入深度来确定；过度区的深度影响因素有许多，主要是淬火介质的冷却能力；通过工艺试验来解决过渡层的宽度要求
都说清楚了,只差给出工艺参数了.
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在频率一定的情况下通过电流和加热时间来控制深度和过渡区。
电流大时间短容易获得窄过渡区，反之则获得宽过渡区。
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同意2楼的意见，说的比较全面了，可以根据实际需要制订工艺了。
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电流透入深度与硬化层的关系呢?
当然硬化层的深度与冷却速度有关,但再设计时是否就将需要得到的硬化层深度与透入深度相等?
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高频和中频加热深度相差很大。
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我想知道感应淬火过渡区的宽度在哪个标准里有规定吗？谢谢！！
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主要看设备频率和功率了，在设备能达到的情况下还是以透入深度为主，这样对提高能源利用率有好处。
过渡区主要受加热速度和冷却速度两方面影响，加热慢温差就小，过渡区就大，如果冷却速度快的话过渡区就小。
如果想控制过渡区宽度的话，调整设备电参数和淬火液浓度即可。
思维决定习惯，习惯决定性格，性格决定命运。
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国家标准对过渡区有明确要求，即3倍淬硬层深度必须小于极限硬度减去100HV
热处理，我喜欢
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这些个问题有 专门的书籍吗？
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引用第15楼zthstone于 19:13发表的&&:
国家标准对过渡区有明确要求，即3倍淬硬层深度必须小于极限硬度减去100HV请问这个标准号是多少，我想看看原稿
天道酬勤！
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齿轮箱真麻烦
找一本热处理基础知识书籍，凡谈到感应淬火，基本都能回答你的问题，不便转述，因为涉及使用数学公式、根号等。
新手，学习中！
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齿轮箱真麻烦
钢的感应淬火或火焰淬火有效硬化层深度的测定
新手，学习中！
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很久没来此看看了，学习了。谢谢
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