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曲軸圓角感應淬火難點及硬化層深度無損檢測

  在汽車相關行業工作的我們中，某些人有時必然感到我們無法完成任務。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。作為將往復運動轉化為旋轉運動的關鍵部件，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，傳統的軸頸感應淬火不足以滿足汽車行業向更輕型發動機的轉變。這是因為常規的感應淬火不包括圓角淬火。但是，圓角感應淬火有何特別之處，為什么汽車行業對此感興趣？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，須首先了解這些區域所起的關鍵作用。曲軸幾何截面的變化會導致應力集中在將軸承連接至曲柄腹板的圓角區域。此外，該組件[曲軸]在使用壽命期間會承受扭轉和彎曲載荷。因此，圓角區域是在曲軸使用壽命期間承受應力上限的位置。結果，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更小、更輕的發動機，而不會影響功率和安全目標。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計的情況下增加發動機的動力輸出。”
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模。在一項測試中，使用測試機發現，汽車曲軸在35MV7級鋼中的感應圓角淬火導致的開裂極限為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力如下圖所示。

測試結果摘錄：曲軸殘余應力分布

圓角淬火硬化挑戰難點

  當嘗試用感應加熱進行圓角硬化時，當然還有很多挑戰難點需要克服。正如大量一線人員認知所見，靠近圓角的復雜幾何形狀對“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：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，還意味著后續的磨削成本昂貴。

  解決該難題的方案顯然需要先進的感應加熱設備和專業知識。還需要復雜的控制軟件，以及創新的線圈，及時可靠的淬火硬化層質量反饋。

線圈的設計需要重視的問題包括：

  ? 線圈在加熱周期中保持剛性。準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構。
  ? 高度準確的線圈加工使線圈調整更快，更容易。
  ? 如何將熱量按需分配傳遞到圓角半徑的復雜幾何形狀中。

曲軸圓角淬火硬化層深度無損檢測的優越性

  感應淬火是一個復雜的過程，需要定期驗證淬火硬化層深度和微觀結構。過去直至現在，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硬化層深度（硬度法），或通過光學顯微鏡分析微觀結構和層深（金相法）。這是一種耗時耗財的方法，大約需要6-8個小時才能執行。

實驗室通常檢測曲軸軸徑及圓角硬化層質量的有損方式

  德國Fraunhofer IZFP超聲波反向散射技術可用于測量感應淬火鋼的表面深度。由于與基材相比，硬化層的微觀結構發生了變化。這種淬火硬化過程將導致表面附近的馬氏體微觀結構和過渡區與由鐵素體-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。

用光學顯微鏡拍攝的硬化區馬氏體組織的橫截面圖像	用光學顯微鏡拍攝的過渡區的橫截面圖像	用光學顯微鏡拍攝的芯部基材中的鐵素體-珠光體結構的橫截面圖像

  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注。曲軸圓角淬硬層深度無損檢測的目標是利用德國Fraunhofer IZFP超聲反向散射方法用于非破壞地分析感應淬火曲軸的硬化層深度。通過驗證超聲測試提供的結果和破壞性測試提供的結果來完成的。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 (另有測量結果顯示等多元化界面)

  對于具有正常硬化層深度的曲軸，結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性。這將促使實驗室破壞性測試的數量減少，并且將盡可能地減少質量分析評價反饋時間。在生產現場，也同樣減少了測試工作，同時降低了成本并實現了快速的生產控制，從而確保了始終如一的高質量水平。德國Fraunhofer超聲波背散射無損測試技術廣泛用于優化曲軸圓角淬火生產參數，以減少更換電感器后的停機時間，從而實現快速生產監控和質量控制。
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