汽車萬向節(jié)中頻感應(yīng)淬火裂紋的分析及防止措施

蘇以人

汽車萬向節(jié)中頻感應(yīng)淬火裂紋主要發(fā)生在圓角區(qū)域。其產(chǎn)生原因是中頻感應(yīng)加熱速度快，從而在淬火區(qū)與非淬火區(qū)形成的拉應(yīng)力集中所致。由于堵孔致使圓角加熱不足，或不通孔過熱也會產(chǎn)生裂紋，可降低中頻感應(yīng)淬火加熱速度，清除堵孔，采用合適不通孔口倒角，以減少裂紋的發(fā)生。

1. 概況

萬向節(jié)是汽車最重要的零件之一，在一些汽車制造廠生產(chǎn)的EQ140汽車轉(zhuǎn)向節(jié)中，中頻感應(yīng)淬火裂紋是嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

萬向節(jié)如圖1所示。選用40Cr鋼，鍛造成形，毛坯要求硬度為241～285HBW，金相組織為回火索氏體1～4級。機(jī)加工后，軸頸、圓角及端面同時(shí)中頻感應(yīng)淬火硬化，要求硬化區(qū)表面硬度為52～63HRC，硬化層深度為3～6mm，硬化層金相組織應(yīng)為針狀或細(xì)針狀回火馬氏體（3～7級）。

熱處理工藝：調(diào)質(zhì)處理是在井式爐中加熱，860℃×70min，在聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2﹪的水溶液中淬火冷卻，600℃×3h回火；采用圓柱形感應(yīng)器連續(xù)中頻感應(yīng)加熱表面淬火，中頻感應(yīng)加熱電參數(shù)和淬火工藝參數(shù)見表1。

表1 中頻感應(yīng)加熱電參數(shù)和淬火工藝參數(shù)

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)磁力探傷檢查裂紋發(fā)生的位置：一是在圓角區(qū)域內(nèi)，呈周向裂紋，如圖2所示；二是在盲孔口，呈徑向裂紋。前者裂紋件數(shù)占98.3﹪，周向裂紋長度一般在15～45mm范圍，無折疊等痕跡。

圖1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)、中頻感應(yīng)淬火應(yīng)力分布示意

萬向節(jié)表面粗糙度為Ra=3.2～6.3μm。符合工藝的規(guī)定，周向裂紋在長度方向上與刀紋不重合?；瘜W(xué)成分分析C、Si、Mn、Cr、S、P等元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

金相組織分析結(jié)果表明，裂紋無氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋斷口呈銀灰色，周向裂紋深度在硬化層內(nèi)，小于1.5mm，硬化層為隱晶馬氏體，淬火區(qū)與非淬火區(qū)的過渡帶在圓角區(qū)域內(nèi)，心部組織為均勻回火索氏體（3～4級）。對不通孔口徑向裂紋檢查，不通孔無倒角，有輕微過熱現(xiàn)象。

取5件無裂紋的萬向節(jié)，進(jìn)行臺架試驗(yàn)，結(jié)果見表2。其中有2件循環(huán)次數(shù)不到3×105次，在圓角區(qū)域內(nèi)就開始產(chǎn)生裂紋，3件硬化層深度都小于1.5mm。

綜上所述，裂紋大多數(shù)都發(fā)生在圓角區(qū)域，屬于中頻感應(yīng)淬火裂紋，與萬向節(jié)在中頻感應(yīng)淬火前的狀態(tài)基本無關(guān)。影響萬向節(jié)中頻感應(yīng)淬火裂紋產(chǎn)生的主要原因如下。

（1）拉應(yīng)力集中 中頻感應(yīng)淬火后，構(gòu)成表面受壓、中間受拉或受壓的應(yīng)力分布特點(diǎn)（見圖1）。拉應(yīng)力峰值位置是在靠近硬化層內(nèi)側(cè)處，或在硬化層結(jié)束的過渡區(qū)中。拉應(yīng)力峰值位置和大小取決于以下幾點(diǎn)：①加熱速度越快，溫度梯度越大，則淬火層中的過渡層越小，拉應(yīng)力峰值越大，且切向應(yīng)力越大于軸向應(yīng)力，其峰值位置越接近表面硬化層。②在零件表面淬火區(qū)域內(nèi)截面積變化處，淬火時(shí)形成的拉應(yīng)力集中，也可能使拉應(yīng)力值接近或超過鋼的破斷抗力，從而產(chǎn)生淬火裂紋。③隨硬化層深度的增加，拉應(yīng)力峰值位置向中心移動，拉應(yīng)力峰值逐漸減?。环粗?，隨硬化層深度減少，拉應(yīng)力峰值位置向表面移動，峰值逐漸增大。④零件在進(jìn)行局部表面淬火時(shí)，表面存在著淬火區(qū)與非淬火區(qū)間的過渡帶，在靠近硬化區(qū)處形成拉應(yīng)力峰值，因此在過渡帶不僅常產(chǎn)生淬火缺陷，甚至可能造成淬火裂紋。

（2）圓角加熱不足 萬向節(jié)連續(xù)感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)，由于堵孔等因素致使圓角加熱不足，造成圓角區(qū)域硬化層深度過小，或硬化區(qū)結(jié)束在圓角區(qū)域內(nèi)，拉應(yīng)力峰值集中在圓角區(qū)域，并接近表面。

（3）不通孔過熱 不通孔內(nèi)側(cè)一半要求在硬化區(qū)內(nèi)，為了保證圓角及端面在淬火加熱時(shí)達(dá)到正常淬火溫度，而不通孔口的溫度卻往往會偏高，甚至?xí)^熱，如不通孔口無倒角，或倒角太小時(shí)，過熱的可能性更大。其結(jié)果：一是在淬火過程中形成應(yīng)力過大；二是使該區(qū)內(nèi)鋼的破斷抗力降低，容易導(dǎo)致淬火裂紋產(chǎn)生。

表2 萬向節(jié)疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

3.結(jié)語

萬向節(jié)連續(xù)中頻感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)，由于圓角加熱不足，硬化層深度淺（＜1.5mm），拉應(yīng)力峰值大并趨近表面；淬火區(qū)與非淬火區(qū)間的過渡帶在圓角區(qū)域內(nèi)，或在鄰近處，致使應(yīng)力分布的最大拉應(yīng)力峰值匯集在圓角區(qū)域內(nèi)或鄰近處，各種拉應(yīng)力峰值彼此互相接近，或相互交叉，甚至可能重合?？山档椭蓄l感應(yīng)淬火加熱速度，清除堵孔，以及采用合適不通孔口倒角等措施，以減少裂紋的發(fā)生。

圖2 裂紋發(fā)生位置