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作者：柳中乔、李明将、钱超、蔡坤、王威
单位：一汽大众汽车有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
轿车用发动机曲颈通常采用中频感应淬火工艺，即利用感应器将曲轴轴颈加热至900℃左右，经过回火（感应回火、自回火或低温回火），使曲轴颈的表面硬度达到57~63HRC，淬火层深度2.5~5.5mm的热处理工艺。通过感应淬火，可以提高曲轴表面的耐磨性和疲劳强度。
目前, 曲轴轴颈圆角淬火为最新的曲轴加工工艺设计，以增强曲轴在交变载荷情况下的疲劳强度（性能提高约1倍，部分产品可以达到700MPa以上），同时，通过取消滚压校直工艺，取消止推面精车工艺，在磨床上增加圆角磨削工艺，来降低设备投资和后期维护费用。
如何降低圆角淬火成本，则成为了采用新工艺后成本管理的重点和难点。本文通过与洛阳法拉地感应设备有限公司在感应器的结构、材料及制造工艺等方面的技术交流，分析总结和优化现有曲轴圆角淬火感应器结构、损坏失效形式、寿命提升方法，来介绍生产过程中的实践经验，希望能给予同行业曲轴用感应器的寿命提升提供一些借鉴。
一、 感应器结构
曲轴是发动机产生扭矩的重要零件，要求其各轴颈有高的耐磨性和弯曲疲劳强度，曲轴自1936年起大量采用表面淬火，至今感应淬火技术已有很大发展，但作为感应器而言，基本上还是两种类型,即圆环感应器（见图1）和鞍形感应器（见图2）。
图1 分合式圆环感应器
图2 鞍形感应器
除电源、机床等基础设备外，实施曲轴感应淬火工艺的核心部件就是感应器。目前大量采用的是半圈鞍式淬火感应器。众所周知，淬火感应器的结构（尺寸）将直接影响感应淬火零件的质量和生产效率，因此感应器的设计，主要是指感应器结构的设计。
（1）圆环感应器 曲轴圆环感应器又称分为合式感应器，有手工操作感应器和自动淬火机床用感应器两种形式，两者结构基本相同。圆环感应器淬火的主要缺点是轴颈淬火层的宽度与厚度不均匀，曲柄外侧淬火层宽而厚，曲柄内侧淬火层窄而薄。由于淬火层厚度不均，使曲轴淬火弯曲变形很大，有时达5mm左右。
（2）鞍形感应器 半圈鞍式感应器的主要组成部分：有效圈、水电快速接口、支撑护板、定位装置及喷水器。有效圈是感应器的核心，其结构如图3所示。
图3 鞍形感应器有效圈示意
有效圈是感应电流的载体，电源能量通过有效圈产生的磁场输出到零件，有效圈设计的水平直接关系到能量的输出及能量在零件表面的分布。设计中重点考虑和计算以下几个方面：①有效圈弧段和横直线段的形状、大小及比例关系。②导磁体形状、安装位置、使用量。③有效圈与零件径向、轴向间隙。
由于电流的热效应，有效圈在工作中会发热，所以必须通水冷却，水流截面根据加热功率的大小计算，保证有效圈工作在正常温度(55℃以下)。
水电快速接口、支撑护板、定位装置等是感应器辅助功能件，考虑其通用性及互换性设计成标准件，也使制造难度降低。喷水器的设计要计算零件淬火所需水量，合适的喷水量保证得到所需的表面硬度，并避免淬火裂纹的产生。各个部分组成感应器时互相配合，并非只有单一的功能。图2所示的感应器结构，喷水器具有喷水、支撑护板、固定有效圈、支撑定位块等功能，而护板也具有安装定位块、固定喷水器、屏蔽磁场、固定水路及作为喷水器盖板等功能。
从图2可见，分开式整圈感应器加热时，由于曲轴曲柄的影响，引起磁场畸变，产生轴颈端头的屏蔽作用。在感应加热过程中，使轴颈沿轴向加热不均，加热集中于轴颈中部，造成淬火后硬化区的显着不同，以及硬化层呈月牙形。
半圈感应器加热时，有效圈设计成回形半圈，并在平行于轴向的回形半圈的横向段上装有“Π”形导磁体，以增加横向段的平面加热效率，使横向段截面上的中频电流作重新分布，即沿着导磁体槽口的导体表层平行于轴向表面流动，因而磁场方向不受干扰，加之回形半圈的圆弧段外表面加热，使硬化区加宽，轴颈圆周各部的硬化均匀，硬化层达到理想状态，如图4所示。
图4 曲轴淬硬层分布示意
使用鞍形感应器淬火具有以下优点：①轴颈淬火层厚度和宽度均匀。②能减少曲轴淬火变形。大量试验表明，用鞍形感应器淬火的曲轴最大跳动1.1mm，平均跳动0.6mm, 大部分跳动为0.5mm以下，淬火后的曲轴可不校直或轻微校直，因此提高了曲轴的疲劳强度。③能消除油孔附近的淬火裂纹。④淬火层的形状能够调整，甚至能得到包括轴颈两端R的淬火层，实现圆角淬火，从而显着地提高曲轴疲劳强度。
二、感应器损坏形式
1. 曲轴感应器线圈烧伤、烧断、焊口开裂、线圈变形
（1）线圈烧伤 线圈烧伤有以下两种情况：
一是线圈与工件接触，导致设备报警，部分情况下会发现打火现象。产生的主要原因是间隙问题：在感应器与曲轴轴颈调整过程中，调整间隙过小导致；由于定位块磨损超过极限导致。定位块的磨损不能超过0.3D，如图5所示。图中，A为曲轴轴颈尺寸，B为定位块包容直径， C
为有效圈内，D为定位块接触端与有效圈内径的间距。
图5 感应器与曲轴间隙调整
二是轴颈表面清洁度不合格，残留铁屑或铁粉会被磁力吸聚，与润滑油残渣结成壳层。壳层将在线圈和工件间形成导体，加热通电时，产生电火花，使轴颈表面和线圈表面同时烧蚀。因此，轴颈表面是否清洗干净是决定感应器使用寿命的重要因素。
曲轴热处理工序的前序采用轴颈车削或铣削工艺（干式加工），以及曲轴油道孔钻削工艺（微量润滑加工）。故在曲轴表面很容易残留铁屑和润滑油渍，因此在工艺设计上一般会在淬火前必须有清洗工序，主要目的就是为了保证曲轴的表面清洁度，减少感应器损坏。
（2）有效圈热疲劳烧蚀和焊口开裂 有效圈热疲劳烧蚀和焊口开裂表现为感应器在使用环节或试漏环节发现漏水现象。其原因有两点：①焊口热疲劳损坏：首先，焊口部分电阻大，当导体通电时，焊口处产生的热量多，温度高。其次，由于焊口处存在截面变化，截面小处温升高，截面大处温升低，导致热胀冷缩不一致。因此，在频繁通电和断电过程中，导电部分反复的热胀冷缩，引起金属铜的疲劳断裂，此种损坏称之为热疲劳。②焊接材料和焊接工艺问题：感应器的钎焊工艺是感应器制造的寿命保证，对钎焊有三点要求：一是连接处有良好的力学性能；二是通水部分要保证密封性；三是由于感应器对冷却流量要求很高，因此钎焊不得减少通水截面积，即不能在内部产生焊溢。
（3）线圈变形 由于曲轴感应器铜管截面小，刚度差，其线圈在使用一段时间后在交变磁场和高温作用下，容易发生变形。为此附装上几个拉紧螺钉、螺杆（见图6），以增强刚度，并用以调节线圈与轴颈的间隙，以免影响加热效果和淬火质量。
图6 有效圈上的拉紧螺钉
2.围板烧毁
其原因是曲轴感应器结构不合理。在围板的个别区域因涡流而导致围板发热，而此处又没有冷却水路，从而导致围板烧毁现象（黄铜板虽然是非磁性材料，但也会少量产生涡流现象）。
3.导磁体失效
其原因是导磁体在高频交变磁场中，由于反复磁化作用产生磁滞损耗和涡流损耗，成为铁损。铁损导致导磁体发热升温；同时导磁体接近加热表面，受到较高的热辐射。而且导磁体还在淬火液的高压喷射冲击以及急冷急热和交变振动的恶劣环境下，加上加热产生的油烟熏烤，容易导致导磁体效率下降。
4.定位块磨损
其原因主要是定位块与曲轴表面接触导致（见图5，磨损量超过0.3D时，判定为定位块磨损）。
三、感应器寿命提升的方法
1.感应淬火工艺参数优化
（1）控制工艺参数 在生产制造环节（ElothermELoCrank机床），通过控制工艺参数（加热时间、电压、淬火时间、喷淋时间及淬火液浓度等）来对调整淬火层深及淬火硬度值。同时通过降低加热电压，调整淬火液浓度的比例来提升感应器寿命。在保证没有淬火裂纹及淬火缺陷的情况下，应使用较低的淬火液浓度。
（2）控制电参数 在保证金相组织晶粒合格、节拍合适的情况下，尽可能地用低功率+长时间取代高功率+短时间。因为高功率、短时间，就要求加热的相变温度高一点，则出现晶粒粗大、淬火裂纹的概率就大一点。反之，就可以在较低的温度下实现组织的比较完全的转变。通过优化加热功率（高功率时感应器损耗大），提升感应器的使用寿命。
（3）设备参数优化 提高设备提供给感应器冷却水的压力（目前可达1.2MPa），增加冷却能力。
2. 优化感应器保养方式
经过经验总结，我们对感应器的保养制定出一个标准的保养流程和检查标准，如附表所示。
3. 感应器结构、材料及制造工艺优化
（1）结构优化 有效圈的截面积适当的增大，目的是增加通过的冷却水量，提高冷却效果。采用不等厚度的有效圈，电流主要作用部分的有效圈壁厚适当加厚，目的是降低通过的电流密度。感应器加热线圈对应的感应器外围板上方设置通孔，目的是消除感应器加热线圈在此处产生的涡流，从而避免因涡流而导致围板发热烧坏，提高感应器的使用寿命。
（2）曲轴感应器的材质优化 ①制造线圈材料的优化：由无氧高导铜（OFHC）取代当前的T2。②硅钢片的优化：通过选取更薄的高磁感取向硅钢片(厚度0.15～0.18mm),取代目前厚度为0.23mm磁感取向硅钢片，前者的饱和磁感涡流、磁滞损耗和总损耗都大大降低。③定位块材料优化：使用高新能的陶瓷定位块取代合金定位块。陶瓷定位块的硬度1500～1800HV，硬质合金的定位块的硬度为88～90HRA，高新能的陶瓷定位块使用寿命可达1.5万次以上，比硬质合金定位块的使用寿命高3倍左右。④制造工艺优化：有效圈成形由一次拉伸成形的型材取代目前的焊接线圈。
四、结语
（1）曲轴是感应热处理技术最理想的应用对象之一，曲轴经感应淬火后使用性能大大提高，有利于提高发动机性能，降低发动机自重和生产成本。感应器的设计和制造水平是影响淬火质量的关键因素之一。
（2）感应淬火工艺在提高曲轴强度、节能等方面有着诸多的优点。随着大功率发动机需求的不断增加，曲轴感应淬火技术将得到更大范围的应用,技术水平也将得到进一步的提高。
（3）通过对曲轴半圈与分开式整圈感应器的感应加热淬火对比，分开式整圈感应器操作方便、辅助时间短、劳动强度低、生产率高，特别是消除了整圈感应加热淬火质量不稳，易使轴颈淬火的热影响区硬度降低，造成圆角处弱化、强度低于调质状态等现象，而且淬硬层形状分布合理，且避免了油孔薄壁处裂纹的产生，因此提高了曲轴的疲劳强度，延长了其使用寿命，取得了很好的经济效益和社会效益。
（4）采取降低比功率的办法，并适当延长加热时间可提高感应器使用寿命。
（5）曲轴感应器的制造材料和制造工艺及维护保养得当，可使曲轴颈圆角淬火感应器的使用寿命从2万次提升到4万次以上，具有良好的使用效果和经济价值。
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