2.6.2 半轴的感应热处理

汽车后桥半轴是传递转矩的重要零件。半轴不仅承受驱动转矩，而且承受作用在车轮上下、前后、左右的负载引起的弯矩。因此，后桥半轴应具有足够的强度来满足使用条件。

我国常用的半轴材料有45钢、40Cr、40MnB、42CrMo等；国外常选用S48C、S50C、SCM440H等钢种。

图2-35 汽车半轴及硬化层分布

半轴热处理工艺包括调质处理、中频感应热处理、调质处理后再中频感应热处理。

某型汽车半轴材料为40MnB钢。半轴的感应热处理要求为：半轴锻后毛坯先经调质处理，调质处理硬度为229～269HBW，机加工后再中频感应淬火和回火，淬硬层深度为4～7mm，淬火硬度为52～63HRC，淬硬层分布如图2-35所示。以前，中频感应淬火是在立式双工位淬火机床上采用连续淬火方式，淬火后在立式双工位回火机床上进行感应回火。随着感应热处理技术的发展，该半轴中频感应淬火采用了大功率整体加热一次淬火。

1.半轴连续淬火

半轴连续淬火在两台立式淬火机床上进行，每台机床可同时对两根半轴进行淬火。淬火时机床带动半轴旋转，环形感应器按淬火工艺，自下而上做连续运动，边加热边淬火。使用电源为四台机式电源，每台电源频率为2500Hz，功率为100kW。淬火冷却介质为聚乙烯醇水溶液。

2.半轴感应回火

半轴感应回火采用矩形感应器进行感应回火。回火是在两台立式回火机床上进行的，回火时半轴旋转。每台机床可同时对两根半轴进行回火，分别由两台100kW、2500Hz机式电源供电。回火时，先将淬火后的半轴水冷20s，然后进行感应回火，回火温度为250℃，回火时间为90s，再水冷20s，接着进行校直。

3.半轴大功率淬火设备及特点

半轴大功率淬火技术是感应热处理技术的一大发展，由于这种淬火工艺需要有大功率中频电源，因此而得名，也叫一次加热淬火。大功率淬火是在卧式万能淬火机床上进行的。加热淬火时感应器不动，半轴定速旋转，淬火完毕，感应器随同淬火变压器一起退出，半轴自回火；更换半轴后，感应器随同淬火变压器再次进给到位，开始第二个循环。由此可见，半轴大功率淬火设备是由卧式万能淬火机床、中频电源、淬火变压器、感应器、限变形机构和淬火冷却装置等部分组成的。半轴大功率淬火感应器如图2-36所示。感应器有效圈近似为一个矩形，它的两个长条部分，为了使其具有一定的强度，先采用纯铜板机加成截面为“”形的长条，然后加盖板焊成矩形管；它的两个短条部分实际上是两个半圆环，靠近法兰盘一侧的半圆环为焊合件，花键一侧的半圆环为矩形纯铜管弯制而成。有效圈的法兰盘侧的半圆环上和花键部位的半圆环上须安装厚0.2mm的硅钢片导磁体。感应器的喷水圈用夹布胶木制作，其上的紧固件及管接头等用黄铜加工而成，各件用环氧树脂粘接或用螺栓连接组装成喷水圈。限变形机构由支架、调整板、调整螺栓、辊轮座、辊轮及转轴等组成（见图2-36）。限变形机构可对变形辊轮做全方位调整，以满足工艺要求。辊轮、转轴及辊轮座等均应选用非磁化钢（奥氏体钢）制作。

图2-36 半轴大功率淬火感应器

1—附加喷水圈 2—冷却水套 3—接触板 4—绝缘板 5—辊轮 6—转轴 7—支架 8—调整板 9—调整螺杆 10—辊轮座 11—紧固装置 12—上喷水圈 13—有效圈 14—侧喷水圈

半轴大功率淬火有如下两个特点：

（1）横向磁场加热 当半轴采用圆环形感应器加热时，其磁力线是平行半轴轴线的，利用这种磁场加热，即为纵向磁场横向电流加热。当半轴采用矩形感应器加热时，其磁力线是垂直半轴轴线的，利用这种磁场加热，即为横向磁场纵向电流加热。这一改变有两个优点：一是像半轴这样的变截面轴，由横向磁场纵向电流来加热，变截面处淬硬层分布均匀，台阶尖角也不易过热；二是半轴表面上产生的磁感应强度，可由毕沙拉定律求得，即半轴表面某点的磁感应强度只与磁导率成正比，与该点的间隙成反比：

式中，B为磁感应强度（×104T）；μ为磁导率（H/cm）；I为有效圈上的电流（A），当电压一定时，I为常量；a为半轴与有效圈的间隙（cm）。

调整μ和a值，即可调整半轴某处的磁感应强度，使其加热均匀。

（2）脉冲加热升温及脉冲喷射冷却 半轴大功率加热时，感应器不动，半轴绕轴线定速旋转，半轴被加热表面依次循环脉冲加热升温，基本上使半轴各个部位同时达到要求的淬火温度范围（880～950℃）。不难看出，脉冲加热升温具有加热时间较短和传热时间较长的特点。半轴大功率加热用感应器的加热板宽度为20mm，两块加热板的宽度共为40mm，半轴轴径为φ50mm，圆周长为157mm。半轴旋转一周时，表面各点被加热板加热的时间，占转一周时间的1/4略多一点，而传热时间占3/4。因为这一特点，在达到淬火温度的总加热层中，提高了传导加热层的比例，减少了感应电流加热层的比例，所以当要求的淬硬层深度一定时，大功率淬火所选用的电流频率应比圆环形感应器所选用的频率稍高些。

淬火冷却时，半轴表面被依次循环脉冲喷射冷却，基本上使半轴各个部位同时冷却到马氏体转变温度区间。从图2-36的A—A视图不难看出，脉冲喷射冷却时，半轴在旋转一周中，具有较长的喷射冷却时间和较短的停喷时间。这种冷却方式既能使半轴较快地冷到马氏体转变温度，又不至于分解成非马氏体组织，同时又使半轴较连续喷冷的淬火应力大大降低，增加了淬火组织的稳定性。

4.半轴大功率淬火工艺参数

电流频率 8000Hz

中频电源功率 260～280kW

匝比 5/2

加热时间 59s

间隙时间 3s

冷却时间 22～28s

淬火温度 800～950℃

自回火温度 190～230℃

5.半轴感应热处理后的强化效果

过去半轴热处理常用调质处理的办法，易发生早期疲劳损坏。半轴调质处理后，再进行中频感应淬火和回火，可显著提高半轴的疲劳寿命。半轴中频感应淬火和回火后，表面硬度为52～58HRC，硬化层深度为半轴直径的10%～15%时，其强化效果最好。

半轴中频感应淬火后，在淬火表面产生200～600MPa残余应力，这一残余压应力对半轴来说非常有利。