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1、 感应淬火零件的裂纹问题上海恒精机电设备有限公司（201707） 江国清 林信智感应淬火零件的裂纹问题，是感应热处理工作者的一个重要课题。在各种质量问题之中，淬火裂纹问题最为突显。它时常出现、形式多样、原因复杂，解决起来又比较困难，危害也比较严重。很多人视淬火裂纹如虎，谈裂纹而色变。感应淬火裂纹问题尽管是个复杂而难缠的问题，但是它的原因是可以追索的，它的发生是可以防御的。以下按淬火裂纹的成因为序介绍各种感应淬火裂纹。1.零件结构或表面质量等因素导致的淬火裂纹零件结构或表面质量等因素导致的淬火裂纹，在导致淬火裂纹的诸多因素中，结构和表面质量因素是主导因素。零件的淬火区域内，形状复杂、尺寸突变或表
2、面粗糙度不好时，在普通热处理的淬火过程中就容易产生淬火裂纹。这些零件在感应淬火时，由于加热速度快、冷却激烈，这些结构因素更容易引发淬火裂纹。在感应淬火区域中如存在台阶、端头、尖角、键槽、孔洞和油道等结构，感应加热时能导致感应电流集中，使该部位过热、硬化层过深而产生淬火裂纹。这些结构最好能进行修正，例如把台阶或端头的尖角去掉，孔洞的出口加上倒角等措施均能收到消除或减少淬火裂纹的效果。发动机曲轴工作时高速旋转，为加强润滑，在轴颈上都有润滑油孔，而油道孔一般是斜的，在出口处造成了孔壁的厚薄不均，感应淬火不仅在油孔周围形成放射状的淬火裂纹，而且在油道壁最薄的地方由于淬透而产生淬火裂纹，该裂纹向轴颈表面
3、扩展，到达表面时形成“C”形，被人们称为“C”形裂纹。这种斜油孔有时也可能不产生淬火裂纹，但在油孔的薄壁表面上能看到直径57mm白色斑点，证明该处淬火加热温度是相当高了，蕴育着裂纹的危险。（1）转向节台阶淬火裂纹 载重车转向节的55mm轴颈及根部圆角和85mm台阶外圆均需感应淬火，由于淬火工艺不当，使85mm台阶倒角处的正下方硬化层太深，而产生淬火裂纹。经工艺调整使该处硬化层减薄，消除了淬火裂纹。（2）减振器轴端头裂纹 减振器轴使用圆筒形感应器同时加热淬火，在其端头容易出现裂纹，人们称之为“掉角”或“耍圈”。减振器轴的技术条件规定全长淬火，淬火工艺稍有不当，使端头硬化层太深，即产生淬火裂纹。解
4、决办法是改进感应器的结构设计，即将感应器有效圈两端孔径扩大，或将有效圈总高度减小，总之必须将零件端头淬火层减薄，淬火裂纹即可消除。 汽车发动机凸轮轴的凸轮也出现过类似的裂纹。上述两个例子的裂纹机理是相同的，都是因为结构因素使台阶和端头的感应电流集中（感应电流的边缘效应强烈），使该处的加热温度高、加热层深了，在后来的淬火冷却时其表面层瞬间形成了马氏体薄层，而随后的冷却中，薄层下部的奥氏体组织不断地转变为比容更大的马氏体组织，并向外挤压，使最初形成的马氏体薄层受到挤压而产生拉伸应力作用，进而产生了裂纹，裂纹严重时剥落掉角。（3）孔洞的边缘裂纹 感应淬火区域内如有孔洞，在其边缘将产生放射状的淬火裂纹
5、。汽车钢板弹簧销上的油孔、曲轴轴颈油孔及绞盘轴上销孔，均发生过这种孔洞边缘的淬火裂纹。由于孔洞存在，迫使感应电流在孔洞的轴线两侧绕行，孔洞周围的感应电流的密度分布不均匀，在孔洞的轴线两侧涡流密度大，而与轴线垂直的孔洞两侧涡流密度小，于是前者成了高温区，后者成了低温区（见图1）。由于孔洞周围区域的加热温度不同，淬火组织转变的过程也不同（有先有后），淬火后的硬化层厚度也不同，高温区硬化层厚些，低温区硬化层薄些，因此产生了组织应力和热应力，这种应力是产生孔洞边缘淬火裂纹的根本原因。再者孔洞结构，使其边缘的冷却情况较其他部位更为激烈，进一步增加了孔洞边缘产生淬火裂纹的敏感性。图1 孔洞附近的涡流及温度
6、分布1.涡流线 2.高温区 3.低温区从上述分析可知，孔洞直径越大，其边缘温度的不均匀性越大，淬火裂纹的倾向性越大。一般说来，高频淬火时孔洞直径大于3mm，中频淬火时孔洞直径大于5mm，就有出现孔边淬火裂纹的危险性。防止孔洞边缘的淬火裂纹有以下几种办法：第一种：孔洞打入销子。在加热前向孔内打入低碳钢销子，销子的顶面与孔边表面相平。加热时孔洞周围电流密度均匀，温度一致，可以有效地防止孔边淬火裂纹的产生。由于钢销淬火后膨胀、取出困难，所以往往用紫铜销代替。这种办法费工费料，只适合单件或小批量零件的淬火时采用。第二种：孔洞内塞入湿软木销或石棉绳。这种办法虽然不能改变孔洞周围的加热温度的不均匀问题，却
7、能适当地降低孔洞边缘的淬火冷却速度，也能在一定程度上防止孔边裂纹的产生。这种办法也不适合于大量生产。第三种：堵有效圈对应喷水孔（适用于同时淬火自喷水感应器）。将与零件孔洞对应的有效圈上喷水孔堵塞。这种办法虽然不能改变孔边的温度不均匀性，却能改善它的冷却条件，变原来的喷水冷却变为流水冷却，降低了冷却速度，从而在一定程度上防止了淬火裂纹的产生。这种办法在汽车钢板弹簧销出现孔边淬火裂纹时采用过，有较好效果。第四种：在有效圈上对应零件孔洞的地方镶入适宜尺寸的硅钢片导磁体，如图2 所示。这一办法主要用于解决曲轴油孔的淬火裂纹和“C”形裂纹。当曲轴使用分合式圆环感应器淬火时，有效圈直径较大，并有一定宽度和
8、厚度，便于镶入导磁体。图2 曲轴感应器镶入导磁体 1.感应器有效圈 2.导磁体 3.喷水孔 4.曲轴 5.斜油孔在有效圈上镶入硅钢片导磁体，这种办法主要用于解决大曲轴的油孔淬火裂纹和“C”形裂纹，其原因有三条：有效圈内侧镶入的硅钢片导磁体，具有很高的磁导率，能把穿过油孔及其周边区域的磁力线吸引出来，从而减少了该处感应电流密度、降低了油孔周围的加热温度，因此可以减少或消除淬火裂纹。为了镶嵌导磁体，必须在有效圈内侧铣出一个长条形的沟，相当增加了油孔附近的间隙，从而降低了油孔边缘的加热温度，也能减少或缓解淬火裂纹的产生。镶嵌上的导磁体的地方，没有喷水孔，能改善油孔附近的冷却条件，这种办法具有堵塞喷水
9、孔的功能，在减少或消除淬火裂纹方面也有作用。如果设计上允许，淬火区域中的孔洞在其出口处加上倒角，对防止淬火裂纹是有效的，而且倒角越大效果越好。（4）孔洞附近的“C ”形裂纹 淬火区域内存在孔洞，有时在孔洞附近的轴颈表面上发现“C”形裂纹。有时它骑在油道孔之上，距离孔边缘2030mm，呈圆弧形，弧长有时达3040mm之巨，这种裂纹在磨削时会有所发展，并以薄片形式剥落下来。这种裂纹始于孔壁，图3就是证明。曲轴的油道孔是斜的（见图2 ) ，油道孔的内壁到轴颈表面的厚度，各处不相等，在最薄的地方极易淬透，而且该处的硬化层的厚度也大于其他任何部位，于是出现了相当端头硬化层太深导致裂纹的情况，在油道孔壁薄
10、而淬透的地方出现了裂纹，它以薄片形式向表面扩展，与表面相贯时形成了“C”形痕迹。 图3 曲轴“C”形裂纹始于孔壁 图4 曲轴油孔底部硬化层局部加深曲轴油孔底部硬化层局部加深的情况如图4所示。淬火区域的孔洞垂直于轴线时，同样会产生“C ”形裂纹。离合器踏板轴的销孔的左一半在淬火区域里（孔的左面是淬火区域），于是在孔的左侧出现了“C”形淬火裂纹。手刹车蹄片轴的油孔在淬火区域中间，于是在油孔两侧出现了几乎对称的“C ”形裂纹，当这两条裂纹连起来时，形成一个桃形的薄片剥落下来。孔的轴线两侧硬化层加深，并在孔壁上首先产生裂纹，裂纹扩展到轴颈表面，形成“C ”形。 防止这种裂纹有以下几种办法： 严格控制硬
11、化层深度。调整工艺参数，保证加热层不能太深，尤其是孔洞处，使其硬化层深度不超过技术要求的上限，而其他部位硬化层深度应在技术要求的下限。对于曲轴而言，除尽量减薄加热层厚度以外，还应控制材料的淬透性，使油孔处的硬化层深度减下来，这是防止这种裂纹最有效的办法。 在孔洞中打入销子，堵对应喷水孔或在感应器上置入导磁体等方法，对防止这种裂纹也都有一定效果。降低加热比功率、减少加热速度，增加传热效果，提高孔洞周围的温度均匀性及提高自行回火温度等办法，均能减少或消除这种裂纹。（5）花键底径圆角太小引发的淬火裂纹 冷轧花键轴由于轧滚边棱太尖（其圆角半径R=0.1mm），在键槽底径形成内尖角，淬火过程中产生应力集
12、中，从而引发淬火裂纹。同一种花键轴上，将轧滚的边棱圆角半径加大到R=0.8mm，在花键轴的横剖面上能明显地看出底径圆弧，这时用相同的淬火工艺参数，得到相同的淬火硬度和硬化层深度，则不再产生淬火裂纹。（6）表面粗糙度太差引发的淬火裂纹 零件表面的粗糙度太差，残留的刀痕太深，均可能引发淬火裂纹。某种汽车半轴花键是滚铣成形的，新换的滚刀刃锋太尖，留下深达0.3mm的刀痕，它就是淬火裂纹的源头。剖析多根半轴花键的齿面裂纹，无一例外，裂纹都是从刀痕的尖部开始，因此可以证明，刀痕引发了淬火裂纹。某种汽车传动轴花键轴的圆锥面与轴颈之间的过渡圆角是车削成形，有时也留有较深的刀痕，故引发淬火裂纹。2.淬火冷却条
13、件不良造成的淬火裂纹感应淬火的冷却速度和冷却均匀性是十分重要的参数，如果淬火冷却介质的冷却性能不良或冷却方式不佳，也能造成淬火裂纹或其他缺陷。感应淬火一般是零件的表面层淬火，淬火冷却速度应该很快，否则达不到表面淬火的目的。为此多采用喷射冷却方式。但冷却也不能过分激烈，否则要产生淬火裂纹和变形。现在我国的一些工厂感应淬火的淬火介质是自来水，自来水不是理想的淬火冷却介质，它冷却速度太大，尤其是在Ms 点以下时，由于冷却速度大，时常造成零件的淬火裂纹。尽管如此，自来水的清洁、廉价、环保等优点仍然为人们青睐。感应淬火的理想淬火介质是在钢的“S曲线的“鼻子”附近有大的冷却速度要大于或等于临界冷却速度。而
14、在Ms点以下具有小的冷却速度（接近于淬火油的冷却速度）。为了满足这一要求，国内外多家公司开发并生产多种有着优良地冷却性能的淬火介质。例如美国Houghton 公司、德国PETROFER 公司、以及南京科润公司、北京华立公司等。下面介绍几例由于冷却不良造成的淬火裂纹。例1 冷却速度太快造成的淬火裂纹半轴花键淬火裂纹花键形状复杂，在连续（扫描）感应淬火时（用水淬火）容易产生淬火裂纹。中、重型载重汽车的半轴花键都是渐开线花键，如果模数大（M3 ) ，齿形高（4 mm），在中频淬火时，使用自来水喷射冷却淬火，时常出现淬火裂纹，当淬火水温低于20 时，淬火裂纹还相当严重，裂纹形态如图16 所示。图17展
15、示了水的喷射冷却和浸沉冷却的冷却能力情况，喷射冷却速度大约是浸沉冷却速度的4倍左右。半轴花键的模数较小 ，齿形不高（3）时喷水淬火，花键裂纹的危险性会大为减小，甚至不产生裂纹。汽车半轴是传递扭矩的零件，要求有高的静扭强度和扭转疲劳强度，因此要求有较深的硬化层（中、重型货车半轴的轴杆硬化层多为47 mm 和712mm) ，材料多为中碳合金钢（40Cr 或42CrMo 等）。应该说明，随着材料的合金化的上升和淬火层深度的加大，半轴的淬火变形和花键淬火裂纹的倾向也加大了。这种裂纹使用适当浓度的淬火介质是可以消除或减轻的。 ( a）裂纹外观； ( b）横剖面上的裂纹形态图16 半轴花键感应淬火裂纹形态 图17 水的喷射冷却和浸液冷却的冷却能力比较 （水温28 ，喷射流量220 mL / s ) 例2 提高淬火水温度可以消除冷轧花键轴的淬火裂纹。某种汽车的传动轴花键是用40 MnB 钢制造、花键冷轧（或冷挤）成形、留下很大的残余应力，这种残余应力能够引发淬火裂纹，尤其以自来水为淬火剂并喷射淬火时，水温低时出现严重的花键淬火裂纹，裂纹形态如图12所示【2】。实验证明，淬火水的温度对淬火裂纹情况有明显影响，见表1 。表1 淬火水温度对冷轧花键淬火裂纹的影响淬火水温度裂纹情况
