日本的高频淬火技术

　　摘　要：以汽车发动机主要部件曲轴和齿条轴的高频淬火方式为例，介绍了日本现行的高频淬火技术，以及MHz级高频淬火的开发和应用。
　　关键词：高频；淬火；随动方式
　　1　前言
　　日本的高频热处理技术为适应其国内快速发展的汽车用部件的高品质化要求而不断提高。今日高频热处理技术的快速发展依赖于汽车的进步。本文就汽车重要部件即发动机用曲轴和操纵机构用齿条轴的高频淬火新技术介绍如下。并介绍了有关利用MIIz级高频以缩短淬火时间的方法。
　　2　曲轴的高频淬火
　　曲轴的淬火方法有多种，现以加热线圈随动方式的淬火设备为主。众所周知，曲轴是由两端中心孔和轴芯相同的轴颈及轴芯不同心的轴枢而构成的，轴枢的淬火较为困难。但由于随动式淬火设备开发成功后顺利解决了曲轴的淬火问题。
　　随动方式是从曲轴的轴枢和连杆的动作联想而产生的，即仿照连杆设置加热线圈以解决。
　　2.1 加热线圈的共用化
　　发动机即使尺寸相同有时排气量亦不同，此时因曲轴和汽缸体共用，故轴枢和轴颈在推力范围轴方向的尺寸是一样的，但轴径则多不同。为对应轴径不同应设置配套的加热线圈，以致在机种变换时加热线圈亦需配套更换，若能用同一加热线圈处理不同直径的轴，则既可节约设备费用，又利于提高生产效率。
　　以被加热物轴枢为例说明如下。通常的加热线圈被，片隔片调整垫分开，该垫亦和轴枢接触以保持和加热线圈有一定的合理间隙，从而保证了淬火的正常进行。
　　但当用以处理小径轴枢时，因至少需和.片隔片调整垫接触，有时竟产生轴枢和加热线圈接触的情况，使淬火难以进行。
　　共用化加热线圈的内径按处理大径轴枢的作业要求设计，若用于处理小径轴枢时；为保证和2片隔片调整垫接触又不致使和加热线圈接触，通过附设的随动机构届时以风动调节便将被接触的加热导体后移以保持一定距离，从而可保证淬火的顺利进行。
　　根据上述原理对设备完善后分别进行了平烧淬火和圆角R烧淬火，其淬火后的质量分别见表1和表2，由此可知大径、小径轴枢均符合标准规定的各项指标。

表1 随动式高频淬火条件及品质（平烧）

表2 高频淬火条件的品质（R烧）

　　2.2 疲劳强度的提高
　　发动机通过曲轴和连杆把往复直线运动转换为回转运动。为此和连杆嵌合的轴枢承受很强的扭转应力，加上伴随对发动机高转数、高出力的要求，轴枢的高强度化更为必要。轴枢和轴颈为防止由回转摩擦热造成的烧伤，上边还开有供润滑油的油孔，此油孔对扭转疲劳强度的影响很大。即油孔开口处易形成应力集中，特别是高频淬火在表面形成的硬化层处，油孔内部的硬化层底部应力Z为集中，严重时从此处产生裂缝。为此，在高频淬火时对轴孔部及其附近应有意识地加深淬火层以提高抗扭转疲劳强度。一般采取先将轴枢轴孔处一侧对准加热线圈静止加热1.8-2.8s，再回转180°，将另一侧对准加热线圈静止加热1.8-2.8s，如此反复3次后再将全体均匀回转加热，待总加热时间达24s便可加深轴孔及附近的淬火层。按此方式在9.8kHz、80kW、350V、30r/min回转条件下加热并经待冷24s和冷却20s的条件下实施圆角R烧淬火的结果，其抗弯强度和抗扭强度比按一般淬火下的结果分别提高了8%和38%。
　　3　齿条轴的高频淬火
　　汽车的驾驶操纵机构多以齿条齿轮传动方式为主。齿条轴的齿面部多采取淬火处理。过去多用渗碳淬火处理，近年改为高频淬火。
　　原高频淬火仅对齿面均匀加热，现改为直接通电的淬火方法即对被加热物直接通入高频电流而产生的电阻加热。由于邻近效应和趋肤效应，表面通入电流密度大，故齿面得到充分加热和淬火。
　　淬火部位由当初的仅对齿面、经齿面和背面发展到齿面、背面和轴部等。其中背面和齿面一样采取直接通电方式淬火，轴部则仍采取移动淬火方法。但是对齿面和背面分两次处理时，受第2次淬火时的热影响，原已淬火部位的一部分（通常是背面）硬度下降，如采取对轴部亦3次淬火时，还需制作适合各种处理用的加热线圈，使设备制作费大幅提高。
　　除直接通电方式外，还有采用环形加热线圈使被加热物移动的同时对齿面、背面同时加热（有时并延伸到轴部）的淬火方式。此法由于不需压紧装置，设备费较低，同时加热线圈亦不受环形齿等部位的影响，可共用。但由于对齿面底部的全面淬火较难，故尚未推广。
　　为了解决上述问题，开发了在线加热线圈一次对齿面与背面淬火的方法。
　　（1）在静止状态下由柱状导体按设定时间通电对齿面和背面进行感应加热。因其和齿面、背面的形状相类似，各部位可均匀受热；
　　（2）由于被加热物的回转，在通过柱状导体下部时产生感应电流使侧部受热，从而整体得到加热；
　　（3）定时对回转的被加热物喷冷却水使之冷却整体淬火（如果非回转加热后冷却，则仅对齿面和背面淬火）。
　　齿条轴按此法处理的有关参数如下：
　　①被加热物尺寸：全长620mm，淬火部长175mm，外径32mm，齿高5mm，齿宽18mm；
　　②淬火条件：频率60kHz，功率250kW，加热功率180kW，静止加热时间3s，回转加热时间1.5s，冷却时间12s，淬火水流量140l/min，淬火水浓度（含氯氟甲烷系致冷剂）9%，回转数240r/min。
　　③质量：硬度分布见表3。

表3 齿条轴一次淬火后硬度分布 HV

　　按＞IIV450处为有效硬化层，则齿谷为0.26MM，背部为1.6MM。
　　4　MHz级的高频淬火
　　迄今高频热处理面使用的频率为kIIz，Z高的仅400kIIz左右。下面对MIIz级高频淬火进行介绍。
　　处理的对象为：在5mm厚的钢板上有Ø12mm的冲压孔，要求孔内径表面硬度IIV300以上、硬化层为0.4MM（目标值）。对于硬化层为0.4MM的深度用400kIIz亦可能达到，但需要短时间内大功率处理；另对于内径12mm的孔所用的加热线圈亦有些太小，即使是短时间加热，其耐久性亦有问题。
　　于是按T铁状态下淬火层达0.4mm而计算出所需频率数约为1.6MIIz，据此我们用作为其它电源而开发的，2.5MIIZ的振荡机（计算淬透深度为0.32MM）进行了高频淬火试验，达到如下的良好结果。
　　（1）加热条件：板极电压10kV，板极电流1.7A，孔极电流0.2A，功率15kW，加热时间0.25S；
　　（2）孔内淬火质量：表面硬度IIV395-450，淬深0.39-0.47mm。
　　5　结语
　　如上所述的随动式曲轴淬火方法已推广到所有发动机上；驾驶操纵机构齿条齿轮转动部分的直接通电淬火已有30年，亟待创新；MIIz级淬火以短时间小功率可达到较佳效果，应予推广。