留言咨询

曲轴圆角感应淬火难点及硬化层深度无损检测

  在汽车相关行业工作的我们中，某些人有时必然感到我们无法完成任务。一方面，存在着不断压缩成本，时间表等方面的不懈压力。另一方面，对更小、更轻和更高效的零件和组件的需求正在增长。这些矛盾在任何地方都没有曲轴更为明显。作为将往复运动转化为旋转运动的关键部件，曲轴承受着很大的压力和负荷。因此，需要进行表面淬火硬化处理：一种减少轴承轴颈磨损并延长曲轴寿命的工艺。

为什么圆角淬火硬化？

  但是，越来越明显的是，传统的轴颈感应淬火不足以满足汽车行业向更轻型发动机的转变。这是因为常规的感应淬火不包括圆角淬火。但是，圆角感应淬火有何特别之处，为什么汽车行业对此感兴趣？简而言之，圆角淬火硬化很重要，因为它可以促使“疲劳强度显著提高”。
  为了充分理解圆角半径（将轴承滚道或带连接到腹板的半径）上的疲劳强度大大提高的含义，须首先了解这些区域所起的关键作用。曲轴几何截面的变化会导致应力集中在将轴承连接至曲柄腹板的圆角区域。此外，该组件[曲轴]在使用寿命期间会承受扭转和弯曲载荷。因此，圆角区域是在曲轴使用寿命期间承受应力上限的位置。结果，这些位置是曲轴常见的疲劳失效部位。

曲轴圆角淬火工艺设备

  圆角淬火除了可以延长曲轴的工作寿命（本身就是主要的好处）之外，还可以帮助汽车制造商生产更小、更轻的发动机，而不会影响功率和安全目标。换句话说，带有淬火硬化圆角的曲轴意味着汽车制造商可以“避免使用更昂贵的合金钢，或者可以在不改变曲轴设计的情况下增加发动机的动力输出。”
对曲轴的各项测试也印证了通过圆角硬化可获得的好处的规模。在一项测试中，使用测试机发现，汽车曲轴在35MV7级钢中的感应圆角淬火导致的开裂极限为1800-1,900 Nm，这比滚轮打磨达到的开裂极限高80％。断裂之前达到的上限不是那么惊人，但是在2,340 Nm时仍然相当可观——比滚磨圆角达到的上限高10％。销钉和主轴颈中获得的残余应力如下图所示。

测试结果摘录：曲轴残余应力分布

圆角淬火硬化挑战难点

  当尝试用感应加热进行圆角硬化时，当然还有很多挑战难点需要克服。正如大量一线人员认知所见，靠近圆角的复杂几何形状对“可靠地生成所需的选择性圆角/轴径淬火硬化图案”具有重大影响。但是，还有另一个更大的挑战：确保一致且较小的尺寸失真。否则，不仅会降低圆角的疲劳强度，还意味着后续的磨削成本昂贵。

  解决该难题的方案显然需要先进的感应加热设备和专业知识。还需要复杂的控制软件，以及创新的线圈，及时可靠的淬火硬化层质量反馈。

线圈的设计需要重视的问题包括：

  ➤ 线圈在加热周期中保持刚性。准确的线圈定位有助于减少失真。
  ➤ 线圈壳体由重量轻的非磁性材料制成，不需要水冷。从而减轻线圈的重量并简化其结构。
  ➤ 高度准确的线圈加工使线圈调整更快，更容易。
  ➤ 如何将热量按需分配传递到圆角半径的复杂几何形状中。

曲轴圆角淬火硬化层深度无损检测的优越性

  感应淬火是一个复杂的过程，需要定期验证淬火硬化层深度和微观结构。过去直至现在，通过破坏性测试进行验证，须将曲轴的横截面锯掉然后镶嵌在胶木中。研磨抛光后，通过获取几个维氏硬度压痕来分析硬化梯度轮廓，从而能够确定以毫米为单位的表面感应硬化层深度（硬度法），或通过光学显微镜分析微观结构和层深（金相法）。这是一种耗时耗财的方法，大约需要6-8个小时才能执行。

实验室通常检测曲轴轴径及圆角硬化层质量的有损方式

  德国Fraunhofer IZFP超声波反向散射技术可用于测量感应淬火钢的表面深度。由于与基材相比，硬化层的微观结构发生了变化。这种淬火硬化过程将导致表面附近的马氏体微观结构和过渡区与由铁素体-珠光体组成的块状材料分开。淬火硬化过程将使材料表面坚硬并具有韧性的芯部。

用光学显微镜拍摄的硬化区马氏体组织的横截面图像	用光学显微镜拍摄的过渡区的横截面图像	用光学显微镜拍摄的芯部基材中的铁素体-珠光体结构的横截面图像

  因此，像超声波检测这样的快速无损检测方法受到越来越多的关注。曲轴圆角淬硬层深度无损检测的目标是利用德国Fraunhofer IZFP超声反向散射方法用于非破坏地分析感应淬火曲轴的硬化层深度。通过验证超声测试提供的结果和破坏性测试提供的结果来完成的。在具有不同表面深度和钢成分的大量曲轴上进行了测量应用。

曲轴圆角有损剖面测量图	德国Fraunhofer曲轴圆角淬火硬化层无损测量探头	IZFP超声波无损测量软件的波形自动识别 (另有测量结果显示等多元化界面)

  对于具有正常硬化层深度的曲轴，结果显示出破坏性测试（DT）与超声波无损测试（UT）之间具有良好的相关性。这将促使实验室破坏性测试的数量减少，并且将尽可能地减少质量分析评价反馈时间。在生产现场，也同样减少了测试工作，同时降低了成本并实现了快速的生产控制，从而确保了始终如一的高质量水平。德国Fraunhofer超声波背散射无损测试技术广泛用于优化曲轴圆角淬火生产参数，以减少更换电感器后的停机时间，从而实现快速生产监控和质量控制。
  更多相关应用技术和无损测试设备信息，请联系德国无损检测技术研究院中国营销服务中心上海量博实业有限公司。