1.4　车辆转向系统、推杆、摇臂件的热处理工艺与规范

1.4.1　汽车转向系统零件的热处理工艺与规范

1.4.1.1　汽车转向节的热处理工艺与规范

（1）转向节的工作条件和技术要求

汽车转向节是汽车最重要的保安件，它主要承担弯曲载荷的作用，即承担弯曲和扭转应力的作用，其特点是应力在截面上的分布是不均匀的，另外最大应力集中在零件的外缘，越向内部则应力越小。根据上述特性，通常选用调质钢制造转向节，将40Cr、40MnB、40CrMo、40CrMnMo等中碳合金钢锻压成形。

某汽车转向节的示意图见图1-86，通常由万向节叉、十字轴和轴承等零件组成。

（2）汽车转向节的机械加工工艺流程

其生产工艺流程为：剪切或锯切下料→锻造成形→调质处理→切削加工→机械加工→表面淬火→磨削加工→检验→防锈包装。

（3）汽车转向节的热处理工艺

毛坯调质处理后的技术要求为：硬度为241～285HBS，金相组织为回火索氏体，在机械加工后转向节的轴径、圆角和端面同时进行中频淬火，硬度为52～63HRC，硬化层深度为3～5mm，组织为细针状的马氏体。作为调质零件的转向节，其加工工序多，有可能因工艺不当、材料不良而成为废品，因此，在实际制造过程中，废品多数出现在锻造成形和调质处理的热处理加工流程中，常见的废品缺陷有锻造过热、硼脆、铜裂、淬裂、折叠、石墨化脆性以及脱碳等致命缺陷。

从汽车转向节的材质和工作条件可知，首先对其进行调质处理，确保基体的强度满足要求，然后对其进行表面淬火。调质处理是在具有保护气氛的箱式炉或盐浴炉内进行，转向节的调质处理工艺为（850～870）℃×70min，冷却介质为0.2％聚乙烯醇水溶液，在（580～620）℃×3h回火后水冷。表面淬火则采用专用的感应器进行，采用圆柱形感应器进行中频感应加热，具体工艺参数见表1-76。

汽车转向节一般是使用半圈感应器进行表面处理，其感应器的结构见图1-87。

下面将不同热处理工艺对转向节弯曲疲劳寿命的影响列于表1-77中，供参考。

（4）汽车转向节热处理工艺分析与实施要点

①转向节的工作要求为耐磨性好、疲劳强度高，采用中碳合金钢制造，经过调质处理，基体的强度可以得到保证，表面淬火处理后，表面的硬化层深度和硬度可满足其工作需要。因此转向节的热处理工艺是围绕着要求合理编制的，从某种程度上反映了其工作要点。

②转向节经毛坯调质+中频淬火+低温回火后，弯曲疲劳次数能比其他普通的热处理提高了几十到上百倍，其原因是在调质处理的基础上又进行了中频淬火，相当于对转向节进行了表面强化处理，即表面存在大量的压应力作用的结果。该感应圈为半圈式结构，其特点是转向节轴径、圆角以及端面各部位加热均匀，硬化层分布合理，同时可对加热温度和硬化层进行调节，方便进行批量生产。为了提高加热效率，在轴向导体和半锥环导体上装有“∏”形硅钢片。转向节的叉子是由碳素钢或合金钢等经过锻造、热处理，使其形状具有好的刚性和强度。

1.4.1.2　球头支承的热处理工艺与规范

（1）球头支承的工作条件和技术要求

图1-88为某汽车转向节用球头支承，要求具有一定的强度和良好的耐磨性，同时有高的疲劳强度，在工作过程中尺寸稳定、可承受一定的冲击作用，因此要求其表面进行淬火处理，具有较高的硬度，来确保耐磨性，具体要求R83mm球面、R14mm圆弧及ф74mm圆柱面均进行表面淬火，硬化区域连为一体。

（2）球头支承机械加工工艺流程

选用的材料为45中碳钢，其工艺流程为：下料→模压锻造成形→完全退火→粗加工（含车削、磨削等）→表面淬火→低温回火→校直→磨削加工→低温时效→检查→防锈包装。

（3）球头支承的热处理工艺

材料选用45钢，表面硬度48～58HRC，硬化层深度3～6mm。考虑零件淬火区域的横截面尺寸变化很大，为满足其硬化层深度的要求，要使用特殊结构的感应器，通常采用全淬火面同时加热淬火技术，其感应器如图1-89所示。

采用的中频淬火加热的工艺参数为：使用8kHz的中频电流，输出功率为140kW，零件的转速为150r/min，加热时间为5s，加热完毕全部同时入水冷却。该方法的缺点为操作不太方便。另外，有些资料介绍，采用局部仿形感应器旋转加热淬火技术进行转向节的球头支承处理，效果不错，它克服了全淬火面同时加热淬火时，感应器操作不便和接触的零件表面容易烧伤的缺陷，其特征为两条轴线导线与零件的外形完全相仿，利用邻近效应的原理，实现了零件的感应加热，具有结构简单、调整方便、淬火质量稳定和硬化层分布合理等优点。

（4）球头支承热处理工艺分析与实施要点

根据球头支承的工作特点，其利用专用模具锻造成形的，本身具有比较复杂的结构，因此，如何实现其局部均匀的热处理是工艺制定过程中的关键问题，比较各种热处理的工艺方法，能实现局部淬火处理的有盐浴淬火和中频感应淬火，根据两者之间的热处理特点，选用感应淬火技术是能满足其硬度和硬化层深度要求的。

采用仿形结构则包括需要表面淬火的全部面积，考虑有效圈直径越大则中频电流的密度越低的特点，要采取在不同截面感应器与零件的间隙不同的措施，即直径小的位置间隙大，而直径大的位置间隙小，这样才能确保整个加热表面温度的一致，获得理想的硬度和硬化层深度等。

1.4.1.3　汽车转向节主销的热处理工艺与规范

（1）主销的工作条件和技术要求

汽车转向节的主销为基础件，起到连接的作用，其热处理质量直接影响到汽车的性能和使用寿命等，其失效的形式为脆性断裂和疲劳断裂。汽车转向节的主销是经过连续的冷拉处理的光滑圆柱体，在工作过程中要承受强烈的冲击载荷和拉伸作用，因此要求主销的表面具有高的硬度和良好的耐磨性，同时其心部要有一定的韧性。

（2）主销的机械加工工艺流程

主销的加工比较简单，这里不再赘述。

（3）主销的热处理工艺

通常采用45钢制造，有4～5mm的硬化层，表面硬度在48～58HRC之间，心部硬度在25～30HRC范围内。

①调质处理——预备热处理工艺　要满足主销的热处理要求，首先进行调质处理，随后进行中频淬火，以获得高硬度和较深的硬化层表面，使其具备较高的耐磨性，而心部有良好的强度和韧性。调质处理通常是在盐浴炉或可控气氛网带炉内完成的，要求基本实现无氧化加热，调质处理的淬火工艺为（830～840）℃×（15～30）min，5％～10％的盐水冷却，高温回火工艺为（500～550）℃×（90～120）min，保温结束后空冷。

②中频淬火——最终热处理工艺　进行中频淬火时要采用连续式加热淬火处理，感应器与主销的单面间隙应控制在2～3mm之间，喷水冷却的压力应符合设计要求，以获得要求的硬化层深度和硬度。

（4）主销热处理工艺分析与实施要点

45钢主销要获得要求的基体强度和硬度，要采用合理的工艺方法和手段，通过调质处理和表面淬火（中频淬火）则可满足上述要求，在热处理过程中，因为其他原因容易出现质量缺陷，影响到主销的产品质量，应当引起足够的重视。

①主销在中频淬火过程中出现的缺陷之一是淬火裂纹　它的特征是与感应器的喷水孔一一完全对应，表面有凸起是由于冷却不均匀造成的。因此提高冷却的均匀性，是减少局部变形和开裂的有效措施。通常采取下列方式：a.增加感应器与主销的间隙，可显著减少淬火裂纹的产生；b.水的喷射压力要适当降低；c.使零件旋转，可以消除淬火裂纹。

②主销使用中断裂　如材料存在严重的冶金缺陷、热加工工艺不当或零件的机械设计存在问题等，都有可能造成主销的失效，关于该问题应进行具体分析与判断。

资料介绍［13］转向节主销，在对其表面淬火后发生断裂，其断口平直。经检验化学成分、淬火硬度和组织合格，沿中心线剖开后发现主销的心部存在明显的横向裂纹，由此可见，由于存在因缩孔残余，心部杂质含量高，故恶化了心部的强度和塑性，在冷拔过程中产生了横向裂纹，而表面淬火加剧了脆性的增加。

作为球头销使用的原材料，在经过冷成形后进行调质处理，粗磨后进行中频淬火处理，如果原材料本身具有裂纹，则会在裂纹处电阻增加、温度升高，造成该处的硬化层加厚，此时观察其裂纹与轴平行，时断时续，另外，垂直取样在裂纹两侧会存在严重的氧化脱碳等。

资料介绍，根据球头销的工作特点，采用低碳钢如20Cr、20CrMnTi、20Mn2B、20MnTiB等渗碳处理后淬火，与中碳调质钢表面硬化相比，同样可满足其性能需要。

1.4.2　推杆（内燃机推杆）的热处理工艺与规范

（1）推杆的工作条件与性能要求

推杆是与挺杆有直接关系的零件，它是由杆身、上端头和下端头组成，下端头呈球状，在装配时与挺杆内的凹球面配合，上端头呈凹坑状，与摇臂上调整螺钉下端的球面相配合，因此，推杆的作用是：将凸轮轴经过挺杆传来的推力传给摇臂，为传递动力的关键部件。推杆是气门机构中最容易弯曲的零件，因此推杆的两端面应具有高的硬度、刚度和良好的耐磨性，用钢或硬铝制作，钢制推杆应经淬火和磨光，以保证有足够的耐磨性。

（2）推杆材料的选用和热处理工艺

整体结构钢气门推杆用45钢，组合气门推杆两头为20、45钢，球头和球面经渗碳淬火后硬度符合要求，45钢渗碳层深度大于1mm，硬度≥58HRC，20钢大于0.8mm，硬度≥52HRC。为了减少质量，常做成空心结构，但必须保证有足够的刚度。

组合气门推杆要求推杆的头部不允许松动，电阻焊缝要牢固，要求表面无裂纹、飞边、毛刺、锈蚀等。

1.4.3　摇臂件（汽车发动机的摇臂和摇臂轴）的热处理工艺与规范

（1）摇臂和摇臂轴的工作条件与性能要求

它为一不等臂的杠杆件，也称为双杠杆，摇臂和摇臂轴见图1-90，中间的圆孔用来装摇臂轴。长臂端部与气门的杆端接触，短臂端部的螺纹孔用来安装调整螺钉。摇臂孔内有润滑油孔。摇臂的作用是把推杆经调整螺钉传给它的力改变方向传给气门端部，使气门打开进行工作。常采用钢或球墨铸铁制造，为了提高圆弧的耐磨性，提高其使用寿命，通常采用感应淬火处理后进行工作面的磨削，如果磨削参数不当或零件的定位尺寸不准，时常会产生磨削裂纹，具体见图1-91，在裂纹处可看到因磨削造成的二次淬火的白亮层。摇臂安装在摇臂轴上，目前气门摇臂的摇臂体采用铝合金材料，摇臂头部即摇臂镶块为合金材料，与传统的铸钢摇臂相比，提高了刚度，又减轻了运动部分的重量，降低了惯性力，减少了磨损，故延长了使用寿命。

（2）摇臂轴的机械加工工艺流程

45钢摇臂轴的工艺流程：下料（切割）→机械加工→粗磨外圆→高频淬火→精磨外圆→装配等。

（3）摇臂和摇臂轴的热处理工艺

①摇臂的热处理工艺　摇臂在工作过程中，要克服气门弹簧的预紧力，同时伴有冲击作用。一般摇臂与气门杆部端面为疲劳磨损。推荐的粉末冶金成分为2.0％～2.3％碳、11.9％～13.9％铬、3.13％～4.00％铌、1.40％～1.90％钼。粉末合金镶块采用压力成形，然后经过真空烧结处理，随后进行热处理：1100～1120℃盐浴炉加热，保温时间按10～13s/mm计算，在80℃以下的油中冷却，硬度为51HRC以上，通常采用箱式或井式炉回火，530℃×1h×2次，回火的基体组织为回火马氏体+残余奥氏体，显微镜下可以看到细小条状和小块状碳化物均匀分布在基体上，硬度为50～62HRC。

②摇臂轴的热处理工艺　汽车发动机摇臂轴及淬火感应器见图1-92，采用中空的45钢管制造，最佳含碳量为0.42％～0.47％。45钢毛坯预先调质硬度为207～247HBW，有6处需要表面淬火处理，硬度在58～63HRC，硬化层深度为1～1.5mm。