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曲軸圓角感應(yīng)淬火難點及硬化層深度無損檢測

  在汽車相關(guān)行業(yè)工作的我們中，某些人有時必然感到我們無法完成任務(wù)。一方面，存在著不斷壓縮成本，時間表等方面的不懈壓力。另一方面，對更小、更輕和更高效的零件和組件的需求正在增長。這些矛盾在任何地方都沒有曲軸更為明顯。作為將往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵部件，曲軸承受著很大的壓力和負荷。因此，需要進行表面淬火硬化處理：一種減少軸承軸頸磨損并延長曲軸壽命的工藝。

為什么圓角淬火硬化？

  但是，越來越明顯的是，傳統(tǒng)的軸頸感應(yīng)淬火不足以滿足汽車行業(yè)向更輕型發(fā)動機的轉(zhuǎn)變。這是因為常規(guī)的感應(yīng)淬火不包括圓角淬火。但是，圓角感應(yīng)淬火有何特別之處，為什么汽車行業(yè)對此感興趣？簡而言之，圓角淬火硬化很重要，因為它可以促使“疲勞強度顯著提高”。
  為了充分理解圓角半徑（將軸承滾道或帶連接到腹板的半徑）上的疲勞強度大大提高的含義，須首先了解這些區(qū)域所起的關(guān)鍵作用。曲軸幾何截面的變化會導(dǎo)致應(yīng)力集中在將軸承連接至曲柄腹板的圓角區(qū)域。此外，該組件[曲軸]在使用壽命期間會承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。因此，圓角區(qū)域是在曲軸使用壽命期間承受應(yīng)力上限的位置。結(jié)果，這些位置是曲軸常見的疲勞失效部位。

曲軸圓角淬火工藝設(shè)備

  圓角淬火除了可以延長曲軸的工作壽命（本身就是主要的好處）之外，還可以幫助汽車制造商生產(chǎn)更小、更輕的發(fā)動機，而不會影響功率和安全目標(biāo)。換句話說，帶有淬火硬化圓角的曲軸意味著汽車制造商可以“避免使用更昂貴的合金鋼，或者可以在不改變曲軸設(shè)計的情況下增加發(fā)動機的動力輸出?！?br /> 對曲軸的各項測試也印證了通過圓角硬化可獲得的好處的規(guī)模。在一項測試中，使用測試機發(fā)現(xiàn)，汽車曲軸在35MV7級鋼中的感應(yīng)圓角淬火導(dǎo)致的開裂極限為1800-1,900 Nm，這比滾輪打磨達到的開裂極限高80％。斷裂之前達到的上限不是那么驚人，但是在2,340 Nm時仍然相當(dāng)可觀——比滾磨圓角達到的上限高10％。銷釘和主軸頸中獲得的殘余應(yīng)力如下圖所示。

測試結(jié)果摘錄：曲軸殘余應(yīng)力分布

圓角淬火硬化挑戰(zhàn)難點

  當(dāng)嘗試用感應(yīng)加熱進行圓角硬化時，當(dāng)然還有很多挑戰(zhàn)難點需要克服。正如大量一線人員認知所見，靠近圓角的復(fù)雜幾何形狀對“可靠地生成所需的選擇性圓角/軸徑淬火硬化圖案”具有重大影響。但是，還有另一個更大的挑戰(zhàn)：確保一致且較小的尺寸失真。否則，不僅會降低圓角的疲勞強度，還意味著后續(xù)的磨削成本昂貴。

  解決該難題的方案顯然需要先進的感應(yīng)加熱設(shè)備和專業(yè)知識。還需要復(fù)雜的控制軟件，以及創(chuàng)新的線圈，及時可靠的淬火硬化層質(zhì)量反饋。

線圈的設(shè)計需要重視的問題包括：

  ? 線圈在加熱周期中保持剛性。準(zhǔn)確的線圈定位有助于減少失真。
  ? 線圈殼體由重量輕的非磁性材料制成，不需要水冷。從而減輕線圈的重量并簡化其結(jié)構(gòu)。
  ? 高度準(zhǔn)確的線圈加工使線圈調(diào)整更快，更容易。
  ? 如何將熱量按需分配傳遞到圓角半徑的復(fù)雜幾何形狀中。

曲軸圓角淬火硬化層深度無損檢測的優(yōu)越性

  感應(yīng)淬火是一個復(fù)雜的過程，需要定期驗證淬火硬化層深度和微觀結(jié)構(gòu)。過去直至現(xiàn)在，通過破壞性測試進行驗證，須將曲軸的橫截面鋸掉然后鑲嵌在膠木中。研磨拋光后，通過獲取幾個維氏硬度壓痕來分析硬化梯度輪廓，從而能夠確定以毫米為單位的表面感應(yīng)硬化層深度（硬度法），或通過光學(xué)顯微鏡分析微觀結(jié)構(gòu)和層深（金相法）。這是一種耗時耗財?shù)姆椒?，大約需要6-8個小時才能執(zhí)行。

實驗室通常檢測曲軸軸徑及圓角硬化層質(zhì)量的有損方式

  德國Fraunhofer IZFP超聲波反向散射技術(shù)可用于測量感應(yīng)淬火鋼的表面深度。由于與基材相比，硬化層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這種淬火硬化過程將導(dǎo)致表面附近的馬氏體微觀結(jié)構(gòu)和過渡區(qū)與由鐵素體-珠光體組成的塊狀材料分開。淬火硬化過程將使材料表面堅硬并具有韌性的芯部。

用光學(xué)顯微鏡拍攝的硬化區(qū)馬氏體組織的橫截面圖像	用光學(xué)顯微鏡拍攝的過渡區(qū)的橫截面圖像	用光學(xué)顯微鏡拍攝的芯部基材中的鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)的橫截面圖像

  因此，像超聲波檢測這樣的快速無損檢測方法受到越來越多的關(guān)注。曲軸圓角淬硬層深度無損檢測的目標(biāo)是利用德國Fraunhofer IZFP超聲反向散射方法用于非破壞地分析感應(yīng)淬火曲軸的硬化層深度。通過驗證超聲測試提供的結(jié)果和破壞性測試提供的結(jié)果來完成的。在具有不同表面深度和鋼成分的大量曲軸上進行了測量應(yīng)用。

曲軸圓角有損剖面測量圖	德國Fraunhofer曲軸圓角淬火硬化層無損測量探頭	IZFP超聲波無損測量軟件的波形自動識別 (另有測量結(jié)果顯示等多元化界面)

  對于具有正常硬化層深度的曲軸，結(jié)果顯示出破壞性測試（DT）與超聲波無損測試（UT）之間具有良好的相關(guān)性。這將促使實驗室破壞性測試的數(shù)量減少，并且將盡可能地減少質(zhì)量分析評價反饋時間。在生產(chǎn)現(xiàn)場，也同樣減少了測試工作，同時降低了成本并實現(xiàn)了快速的生產(chǎn)控制，從而確保了始終如一的高質(zhì)量水平。德國Fraunhofer超聲波背散射無損測試技術(shù)廣泛用于優(yōu)化曲軸圓角淬火生產(chǎn)參數(shù)，以減少更換電感器后的停機時間，從而實現(xiàn)快速生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量控制。
  更多相關(guān)應(yīng)用技術(shù)和無損測試設(shè)備信息，請聯(lián)系德國無損檢測技術(shù)研究院中國營銷服務(wù)中心上海量博實業(yè)有限公司。