第1章　车辆零件的热处理工艺与规范

1.1　曲轴、半轴与凸轮轴的热处理工艺与规范

1.1.1　曲轴的热处理工艺与规范

1.1.1.1　曲轴的工作条件与性能要求

曲轴是内燃机最重要的零件之一，它与气缸、活塞和连杆等零件组成了发动机的动力装置。曲轴的作用是：将做功冲程经连杆传来的力变成扭矩，并带动发动机其他机件（如水泵、油泵和气门等）运动和向外输出动力（功率）。即曲轴的各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉伸等复杂交变应力，因此将造成曲轴扭转振动和弯曲振动，同时，在一定的条件下，还会产生很大的附加应力，因此受力十分复杂。曲轴的主轴径、连杆轴径和曲轴臂各处受到较严重的磨损，受力各不相同。因此曲轴应具有以下力学性能。

①具有足够的强度，减少轴径的翘曲变形，提高自抗震能力。

②表面有高的硬度、弯曲疲劳强度、扭转强度和耐磨性。

③良好的抗疲劳强度和冲击性。

④良好的润滑作用。

曲轴的基本构造如图1-1所示，曲轴由主轴颈3、连杆轴颈2、曲柄臂4、平衡重5、曲轴前端1和飞轮接盘6等几部分组成。

根据曲轴的工作特点和技术要求，曲轴材料的选择原则为，首先要满足曲轴力学性能的需求，其次考虑到曲轴要具有良好的疲劳强度和耐磨性，最后为加工性能。同时应综合考虑曲轴的使用寿命同材料的热处理、表面强化工艺、零件的加工精度和表面状态的影响。

曲轴常用中碳钢和中碳合金钢模锻而成，也可采用球墨铸铁制造，一般根据发动机的负荷、种类不同而选用不同的钢种，汽油机采用碳素钢，而柴油机多用低或中碳合金钢制造。钢又分为碳素结构钢（如45、50等）、中碳合金结构钢（如40Cr、40MnB、50Mn、35CrMo、42CrMo、35CrNiMo、18Cr2Ni4WA等）、非调质钢（如45V、48MnV、49MnVS3等）。球墨铸铁分为镁球墨铸铁、稀土球墨铸铁和合金球墨铸铁等，近年来广泛采用稀土球墨铸铁铸造的曲轴，既可满足曲轴的强度和刚度的要求，同时又可节约大量的优质原料，降低了制造成本。为提高耐磨性和耐疲劳强度，曲轴轴颈表面需进行高频淬火或氮化处理，并进行磨削加工，以获得低的表面粗糙度和高的表面精度。常见曲轴的热处理规范见表1-1。

在实际生产过程中，常采用45钢和球墨铸铁来制造曲轴。

1.1.1.2　曲轴的机械加工工艺流程

曲轴采用锻压或冲压成形，曲轴的整体流线依轴向而变化，可确保具有最佳的力学性能。成形后经正火、调质和切削加工后进行热处理，通常是在轴径部位进行感应淬火。整体模锻曲轴的方式有自由锻、模锻等，其中模锻具有强度高，可有利于纤维方向和组织的合理分布，获得最佳的截面模量和结构紧密的细晶粒金相组织，同时具有尺寸紧凑、质量较轻等特点，因此在实际生产过程中应用较广。

通常选用正火→校直→机械加工→热处理的工艺路线，预备热处理通常为退火或正火，其目的是消除锻造或冲压产生的内应力，降低基体硬度，以有利于机械加工的正常进行。

下面为钢和铸铁的曲轴基本加工路线。

①对于锻钢曲轴，其路线为：锻坯调质（或正火）→校直→清理表面→检查→机械加工→去应力退火→精加工→表面热处理→校直→磨削加工→检验。

②对球墨铸铁而言，其路线为：铸造→正火（或正火+高温回火）→校直→清理表面→机械加工→去应力退火→表面热处理→校直→精加工。

③对加入合金元素球墨铸铁，其铸态不经过预备热处理，即铸造→清理表面→机械加工→表面热处理→精加工。

预备热处理是获得必要的力学性能、改善材料的切削加工性，为最终热处理做组织准备，最终热处理的目的是提高疲劳强度和轴径的耐磨性。

1.1.1.3　曲轴的热处理工艺

曲轴的热处理技术要求为：①全部主轴径和连杆轴径处：锻钢淬硬层硬度为55～63HRC，淬硬层深度为2.0～4.5mm，晶粒度为3～7级；淬硬层边缘到曲轴端面的非淬硬带长度：对V形曲轴不大于4～5mm。②对直列式曲轴不大于6～8mm。球墨铸铁淬硬层为42～55HRC，淬硬层深度为1.5～4.5mm。③曲轴毛坯热处理前的硬度：锻钢正火后163～241HBW，调质后207～302HBW。球墨铸铁正火后240～300HBW。

（1）曲轴的预备热处理工艺

对锻钢而言，经调质处理后为回火索氏体组织，硬度为207～302HBW；正火后组织为珠光体+铁素体，硬度为163～241HBW，晶粒度分别为1～4级和4～10级；对球墨铸铁来说，正火硬度为240～300HBW，石墨球等级为1～3级，晶粒度为5～8级。良好的预备热处理将为以后的热处理及表面处理奠定组织基础。

（2）曲轴的普通热处理工艺

根据曲轴的技术要求，材料表面应硬度高、耐磨性好，而心部具有良好的强度和冲击韧性。因此曲轴的热处理可采用一般淬火、火焰淬火和高频感应加热淬火三种方法。这里以45钢和球墨铸铁为例分别进行介绍。

①45钢曲轴的热处理工艺

a.一般整体加热淬火和冷却。是指在箱式炉或盐浴炉中快速加热，在机床中加压冷却，通过调整加热温度、加热速度、冷却时间和淬火介质，可获得不同的淬火组织。表面为马氏体而心部为索氏体，达到外硬内韧的技术要求。

b.火焰加热淬火和冷却。用氧-乙炔火焰加热后水冷，喷嘴不动，曲轴的转动速度为8m/min，应控制加热的速度和温度，淬火后的淬硬层为3～5mm。

c.高频感应加热淬火和冷却。采用曲轴轴径轮流淬火，分别进行表面淬火，曲轴的淬火温度为860～900℃，感应器（圈）上内壁圆周上钻有供应冷却水的小孔，其直径大小为1.5～2.5mm，水的压力通常为0.15～0.35MPa。硬度和淬硬层深度符合要求。感应淬火是一种节能的热处理技术，明显提高热处理的工作效率，按生产节拍组织生产，因此可称为成本最低的热处理技术。

需要说明的是：采用锻造余热淬火、回火或锻后空冷正火，可达到节约能源、改善切削加工性，提高了曲轴的产品质量，因此该工艺也是比较有发展前景的。

②球墨铸铁曲轴的热处理工艺　其热处理工艺有正火和高频感应淬火两种。

球墨铸铁主要进行奥氏体正火处理，为提高曲轴的力学性能，也可采用调质或正火后表面淬火，等温淬火等工艺，以提高球墨铸铁曲轴的韧性和塑性。球墨铸铁传统的正火工艺见表1-2，供参考。

高频感应加热淬火的温度为900～950℃，加热速度要低（一般为75～150℃/s）。在300℃进行自回火处理，而采用炉内的回火工艺则为（180～220）℃×（1.5～2）h，回火后硬度为52～57HRC。

③表面热处理和表面淬火　资料介绍曲轴通过软氮化处理后，其疲劳强度和轴径的耐磨性得到大幅度提高，硬度≥420HV，渗层不小0.10mm。离子渗氮的硬度和渗层优于软氮化处理工艺，但其成本过高，因此没有得到广泛的推广和应用。

曲轴的热处理一般有两种方法：一种是整体淬火，指加热完毕后在淬火机床上完成冷却过程，通过调整冷却时间和冷却强度，可得到不同的淬火硬度，即表面淬硬而心部仍处于原来的硬度。另一种为表面淬火，即火焰淬火或感应淬火，其中在曲轴进行火焰淬火时，火焰喷嘴不动，曲轴转动，实现一般加热一边冷却，经验表明，当转速较高时，获得3～5mm的硬化层，硬度均匀、无回火软带。曲轴的感应淬火是目前应用最广的热处理工艺，它可以实现曲轴每一轴径的依次快速加热和冷却。曲轴的热处理是指表面淬火或表面处理，表面获得一定深度的硬化层，可提高曲轴的耐磨性和疲劳强度等。表1-3列出了检测的部分项目。

45钢曲轴和球墨铸铁曲轴的耐磨性的对比见表1-4。

由此可见，稀土球墨铸铁的耐磨性优于45钢。同时稀土球墨铸铁在冲击力、缺口敏感性和过载特性等方面均好于45钢。因此采用稀土球墨铸铁制造曲轴已得到推广和应用。

④常见曲轴的热处理具体工艺规范　为了便于将曲轴的热处理工艺系统化，更清楚热处理的具体要求和特点，现将其列于表1-5中。

曲轴的感应加热表面淬火是热处理工艺中的重要工序，为曲轴轴径硬化的必备措施。常见的曲轴感应器有两类：一类是整圈分开式感应器，用于曲轴在静止不动条件下的表面淬火；另一类为半圈淬火感应器，曲轴在感应器内旋转运动。频率的选择是根据轴径的直径而定，一般直径小于50mm为8000Hz；大于50mm则为2500Hz即可。

曲轴的加热温度为860～900℃（以45钢为例），中频感应淬火。加热时间一般与功率的大小有关，冷却时间为加热时间的0.9～1.2倍。此时水压0.015～0.4MPa，水温在18～35℃。球墨铸铁曲轴采用的加热温度为900～950℃，在300℃左右进行自行回火后，仍需在180～220℃补充一次回火处理。

曲轴的半圈感应器是最常用的、应用范围广。它是由有效圈、外侧板、定位块和淬火冷却装置四个主要部分组成，具体见图1-2。其构造中，有效圈是用异型紫铜管焊层，用来焊成一个串联成“8”字形半圆施感导体，其有效圈的示意图见图1-3，其形状是由四根轴向导线和四根圆弧导线组成两个“口”字形线圈，然后将其串联起来，构成一个“吕”形，围成半圆弧形扣在轴径上，8根有效导线与轴径表面的间隙为1.5～2mm。依靠四根轴线导线产生横向磁场，产生的轴线方向感应电流来加热轴径，曲轴以60～100r/min旋转，喷水冷却，一般在导线上装有“∏”形硅钢片导磁体。该半圈具有以下特点。

a.硬化层深度和区域宽度均匀一致，曲柄臂没有受到加热。

b.减少了曲轴的淬火变形。

c.减少或消除了淬火裂纹，尤其是斜油孔的存在极易产生裂纹，使产生的轴向电流与油孔平行后，则可大大减少发生淬火裂纹的倾向。

d.调整硬化层的分布曲线，实现轴径圆角的淬火。

目前国际上通用的曲轴圆角淬火技术是在圆弧导体上加上硅钢片导磁体，使中频电流流向圆弧导体的外侧，得到包括轴径两端圆角在内的硬化层，这种硬化层的合理分布形式可大大提高曲轴的疲劳强度，具体见图1-4。

一般通常感应圈的形状与曲轴轴径的对应尺寸见表1-6。下面以6100发动机曲轴为例说明两者的关系。

曲轴为一个形状复杂的机器零件，如果采用整圈分开式使曲轴静止加热淬火，则有两个缺点：a.曲柄相对磁场屏蔽，会造成曲轴轴径和径向各部分加热温度产生极大差别，故表面硬度不均匀；b.曲轴静止加热，淬火后轴径周围硬化层深度不均匀。而采用半圆淬火感应器，曲轴本身旋转的加热方法则克服了整圈淬火的缺点，即具有硬化层深度均匀、宽度一致、减轻了曲轴淬火变形量、阻止轴径上油孔出现淬火裂纹等，因此在曲轴的实际感应淬火中采用该工艺方法。

下面将6100发动机曲轴感应加热的电参数和淬火工艺规范归纳于表1-7中。这里以材料QT600-3为例，感应淬火前曲轴正火硬度220～260HBS，感应圈与轴径的间隙为2mm。

曲轴经感应淬火后，其轴径和曲柄连接的圆角R处未淬火处理，因此会产生较大的拉应力，降低了曲轴的疲劳强度。对于大功率的汽车曲轴采用轴径和圆角同时淬火的热处理工艺方法，该方法的特点为，在原半圆感应器的基础上，将有效弧形段截面的厚度加以改变，并捆上导磁体，其目的是使曲轴圆角R和轴径同在较强的感应器下被加热淬火，获得理想的淬火效果和一定的残余压应力。

资料介绍，球墨铸铁采用上述方法处理后，大大提高了曲轴的疲劳寿命。对曲轴轴径、圆角同时感应加热时，在保持硬化层深度的前提下，还要特别注意其形状和分布情况。理想的硬化层截面分布是整个圆角处为完整延续并呈圆弧过渡。图1-5为495曲轴的圆弧硬度的分布曲线。

为了控制曲轴感应加热淬火后的变形，应根据曲轴的形状、尺寸特征，选择淬火的先后次序，按照材质的冷却性能确定合理的淬火工艺。其目的是减少变形，另外，在曲轴回火时，建议采用专用夹具进行静态逆向校直，即用相变塑性达到无应力校直的效果。

一般使用的淬火冷却介质有水、PAG和油等，PAG用作42CrMoA、50CrMoA等材料的淬火介质，处理后曲轴具有表面硬度均匀、硬化层深、淬火开裂和磨削裂纹少等特点。大多数回火采用自回火方法，一般在热风炉或低温电阻炉中加热温度为140～180℃，进行2h的回火即可。

（3）曲轴的化学热处理工艺

为了提高曲轴的表面硬度，获得良好的耐磨性、疲劳强度和高的耐腐蚀性，通常大功率柴油机曲轴采用离子渗氮（或气体渗氮），它具有渗层厚、时间长、设备复杂等特点。作为汽车和拖拉机用曲轴一般采用铁素体氮碳共渗，其特点为渗层薄、摩擦系数低，因此提高了曲轴的抗咬和擦伤能力、疲劳强度获得高的耐磨性等。其工艺特点为温度低、时间短、化学处理后变形小、节能等，因此大部分曲轴普遍采用该工艺。

球墨铸铁制作曲轴的热处理工艺包括一般的正火、等温或分级淬火、表面改性处理等，表面热处理和化学热处理同普通的热处理工艺相比，可获得最佳的表面硬化层，提高了曲轴的疲劳强度、弯曲强度及良好的耐磨性、抗腐蚀性等，具体影响见表1-8，当硬度不足则将造成性能和使用寿命的降低，而过厚的硬化层，会增加曲轴的脆性和内应力，出现早期的失效和损坏，因此合理的选择工艺方法，对曲轴的寿命有重大的影响。

目前对球墨铸铁进行热处理强化和冷加工复合强化新工艺，即球墨铸铁曲轴经热处理后再进行滚压处理。如正火+滚压轴颈与曲柄臂过渡圆角处，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化层，增大了残余压应力的作用，提高使用寿命70％以上，效果十分明显，在生产中得到了十分广泛的应用。

目前氮碳共渗有液体、气体和固体三种，液体氮碳共渗具有时间短、渗速快、质量稳定等特点，国内某柴油机厂对曲轴进行液体氮碳共渗，采用德固赛氮化盐（TF1）和氧化盐（AB1）处理曲轴效果不错，国内大部分曲轴制造厂则采用山东安丘亚星热处理材料有限公司生产的氮碳共渗基盐（TJ-2）和氧化盐（Y-1）对曲轴进行化学热处理，液体氮化后的盐浴有轻微毒性，会造成环境的污染，故需要进行中和处理。而采用含氧气氛的气体氮碳共渗，则可避免出现环境污染问题。495曲轴采用气体氮碳共渗工艺见图1-6。

曲轴氮化前的去应力退火。铸钢或球墨铸铁在机械加工过程中，会产生热应力，影响曲轴的尺寸。为防止此类出现变形，毛坯热处理后进行热校直，以消除热变形，加工后采用消除应力工艺。需要注意的是，退火温度为590～620℃，保温在2～3h即可。球墨铸铁的成分、铸造和热处理对其使用性能有重大影响，因此应严格控制各工序的技术参数。作为铸态曲轴应无石墨漂浮、皮下气孔和疏松等。常见球墨铸铁曲轴的化学成分见表1-9。

曲轴主要采用正火处理，为了提高曲轴的力学性能，也可采用调质或正火+表面淬火或贝氏体淬火工艺，以获得高的疲劳强度，避免出现二次网状渗碳体，同时消除空冷时产生的内应力。

一般球墨铸铁曲轴热处理工艺为图1-7。表1-9中序号8的球墨铸铁的金相组织为70％～90％的珠光体，力学性能：σb=730～930MPa，δ=2％～8％，ak=22～49J/cm2，硬度255～277HBW。

为了获得高强度、高韧性和高耐磨性的综合力学性能，对球墨铸铁曲轴进行等温淬火可获得下贝氏体组织，即可达到曲轴的技术要求，曲轴的毛坯应经过完全奥氏体化正火，使自由渗碳体和磷共晶符合技术要求，同时使珠光体的含量≥75％，才能为曲轴的等温淬火的快速加热创造条件。通常采用的球墨铸铁的淬火工艺见图1-8。

采用贝氏体等温淬火获得了以下贝氏体为主的组织，本身具有强度高、耐磨性好、疲劳强度高等优良的性能。球墨铸铁的上、下贝氏体的分界温度约在300℃，因此等温的温度应严格控制。等温淬火工艺为880℃×15min，（260～280）℃×60min，既可防止温度升高到300℃以上，生成上贝氏体的可能，同时也避免了因温度过低造成马氏体数量的增加，冲击韧性下降的质量缺陷。

另外，需要注意的是，曲轴的正时齿轮一端和飞轮一端在等温淬火后要进行机械加工，因此要防止其硬度过高。正时齿轮一端加一轴套，而飞轮一端在等温淬火后，在盐浴炉中进行快速的局部退火，即900～950℃加热、保温2～3min后空冷，使该部分硬度控制在240～290HBS，其余部分的硬度一般在42～48HRC。通常球墨铸铁曲轴等温淬火后不再进行回火处理，假如硬度超过工艺要求可按下述工艺执行：要求硬度为47～49HRC，采用380℃回火；硬度要求为49～51HRC，则回火温度为400℃；硬度要求为51～53HRC，回火温度在410℃即可。

为了便于比较S195球墨铸铁曲轴经不同处理工艺后的性能的差异，现将其列于表1-10中供参考。从表中可以看出，经正火处理的曲轴中频淬火后有最高的使用寿命和高的耐磨性，成本低和能耗少，因此采用正火+中频淬火的热处理工艺是十分适宜的。而含有少量铜和微量钛合金的球墨铸铁曲轴，在铸态下可获得大量的珠光体组织，也可直接进行中频淬火处理，具有生产周期短、节能降耗、劳动强度低、作业环境好等特点。

（4）曲轴的表面强化技术

表面强化技术有曲轴的软氮化和采用圆角滚压工艺等，其中滚压和喷丸强化工艺，目前已经得到了较为广泛的应用。

如何提高曲轴的疲劳强度和延长其使用寿命，一直是曲轴制造企业努力的方向，曲轴在工作过程中要承受高压力、交变载荷的作用，因此必须采用表面强化工艺，表面强化既可采用化学热处理的方法，改变零件的表面的组织成分和性能，以获得理想的技术要求；也可使用机械的方法，使零件局部的表面状态发生变化，形成残余压应力，提高疲劳寿命等；另外对零件进行表面感应淬火等，同样可获得较高的机械强度和使用寿命。因此根据曲轴的工作条件和使用状况，均可采用上述工艺措施实现曲轴的表面处理。在不改变曲轴材料和结构的条件下，采用物理、化学和机械的表面强化方法，实现曲轴表面的强化效果十分明显。机械的强化方法为喷丸和圆角滚压；物理的强化方法有淬火、调质、正火、表面淬火、等温淬火等；而化学强化方法有多种如氮化、软氮化、硫碳氮共渗、氧碳氮共渗、碳氮共渗、渗碳等。其表面强化的又分为前期强化、中期强化和后期强化三种，经过比较后期的强化处理效果最为明显。曲轴采用了对其轴径表面和圆角的强化处理，提高了轴径表面的硬度和耐磨性，消除了应力集中现象，强化了薄弱环节的强度，提高了疲劳强度。根据零件的不同工作条件和技术要求来具体选择。

综合归纳出表面强化的作用有以下几点：①使表面残余奥氏体发生诱变为马氏体相变，强化了非马氏体组织，同时产生冷作硬化；②细化了表层组织，降低表面的粗糙度，提高了表层的硬度；③消除磨削加工产生的残余应力；④提高了疲劳强度和抗应力腐蚀的能力；⑤延长了弯曲疲劳裂纹萌生期，降低了裂纹的扩展速率。

曲轴的圆角滚压工艺是一种在曲轴的曲柄和轴径过渡圆角等应力集中部位，采用机械方法对圆角表面进行滚压，造成表面冷加工硬化，故形成残余压应力表面层，同时可消除切削加工的痕迹以及亚微观裂纹，并使内圆角的几何形状精确，因此可提高曲轴的疲劳强度。通常曲轴圆角滚压工艺具有以下特点。

①工艺简单，生产周期短，制造成本低。

②使用范围广，可滚压所有材料的曲轴。

③明显提高曲轴的疲劳强度。

④表面硬度提高，耐磨性增加。

⑤采用圆角滚压可减少磨削时间，提高砂轮的寿命。

⑥可消除表面的显微裂纹、针孔、气孔等曲轴的铸造缺陷。

⑦滚压硬化层的深度和最大残余应力值，取决于采用的压力、滚轮的形状、尺寸大小和曲轴的材料。

曲轴的滚压既可在普通车床上进行，也可采用专门圆角滚压专用机床加工，美国通用汽车公司和国内部分汽车制造厂已经在生产中采用了该类滚压强化工艺，实践表明同其他的强化方法相比，该项技术具有明显的优势和特点，是十分理想的表面强化方法。

除采用表面滚压工艺外，喷丸强化也收到了良好的效果，用压缩空气将大直径的0.4～2mm的丸粒（如铸铁丸、钢丸或铝丸和玻璃丸等）以35～50m/s的速度，高速向曲轴的表面喷射，其表面出现很大的塑性变形，表面产生冷作硬化，因此存在较大的压应力作用。资料介绍［7］，对表面粗糙度为2.5～5μm的曲轴，使用直径0.7mm的钢丸喷射后的粗糙度变为0.32～0.63μm，明显改善了表面的状态，故有些热处理的产品进行喷射后可减少了清洗工序，也增强了表面美观甚至可作为提高表面洁净度的技术手段。常用的钢丸粒是切的很短的钢丝（呈球状），用小丸粒可对曲轴的凹槽和凸起、过渡圆弧处得到强化处理，在实际强化处理过程中，压缩空气喷丸和机械喷丸的效果一致，喷丸机的性能不同，其相应的技术参数也有区别，应根据具体的设备性能和曲轴的技术要求进行，形状复杂的零件等强化后的使用寿命成倍提高。

资料介绍，对表面进行强化喷丸的作用有：①提高的疲劳强度，因此了延长了构件的寿命；②在寿命期相同的条件下，提高了承载能力；③可允许减小零件的尺寸和重量；④减少了对精加工尺寸的要求；⑤降低了制造成本；⑥使用高强度要求的零件，不必担心出现缺口敏感性。因此喷丸强化处理技术在汽车零件中得到了极为广泛的应用，大到轴类小到销轴等零件经处理后明显提高了使用寿命，缩短了生产周期，获得了良好的经济效益和社会效益。

1.1.1.4　曲轴的热处理工艺分析与实施要点

①曲轴的热处理形式较多，根据其服役特点与失效的方式来看，在材料的选择上应考虑到具体的服役条件与技术要求来确定，铸铁和钢均可作为曲轴的材料，但其热处理方法与手段是有一定区别的，即正火、淬火、表面处理和表面强化技术。

②需要注意的是，曲轴上油孔与轴径表面的交接处的孔壁很薄，淬火加热时此处升温速度快、温度高，而冷却时降温速度快，因此会产生油孔裂纹。故在感应器的有效圈上镶入硅钢片导磁体，则可有效防止曲轴油孔C形淬火裂纹的产生，其原因为：a.由于硅钢片导磁体有很高的磁导率，把穿过油孔及其附近区域的磁力线引出来，从而减少该处感应电流的密度，明显降低其周围加热温度，故可减少或消除淬火裂纹的产生；b.在有效圈内侧铣成的长形坑内镶嵌导磁体，等于增加油孔附近的间隙，因此降低了油孔的加热温度；c.由于镶嵌导磁体的位置没有喷水孔，因此改善油孔周围的冷却条件，等于起到堵塞喷水孔的作用，达到减少或消除淬火裂纹的效果。

③除上述措施外，防止出现淬火开裂的方法还有严格控制硬化层深度，在孔洞中打入铜塞、堵塞喷水孔，降低加热的比功率，减缓加热速度，提高传热效果，提高油孔（洞）周围的温度的均匀性和提高自行回火温度等，都会收到很好的效果。

④曲轴在热处理后的磨削过程中，由于进行高速磨削出现磨削裂纹，有时出现龟裂、裂纹局部凸出表面和鼓起等，甚至有薄片的剥落，见图1-9，在图中可以看出有明显的白亮层、黑的托氏体和感应淬火组织。资料介绍，磨削裂纹产生的过程实际上是淬火的过程，高速磨削的砂轮与工件接触处温度可达1000℃左右，而磨削过程中不断地向砂轮和工件喷射冷却溶液，其目的是对砂轮和工件降温、在磨削过程中加以润滑、冲洗砂轮，防止出现砂轮微孔被磨粒等弥漫。但随之而来的问题是工件的局部表面会因砂轮温度的升高，达到淬火加热温度，被冷却介质喷射后实现了淬火处理。因此对感应淬火处理的工件，应严格执行磨削加工的技术要求，把磨削加工量控制在合理的范围内，确保砂轮表面的温度低于工艺要求，避免处理磨削裂纹质量问题的出现，确保曲轴的产品质量。

⑤关于曲轴表面裂纹的检查，通常采用磁力-荧光探伤方法进行，在暗室内用大电流直流电来磁化曲轴，裂纹处漏磁与磁粉相互作用，使磁力线发生变形，逸出工件的表面形成磁极并形成可检测的漏磁场，在工件的表面喷洒荧光磁粉或浇磁悬浮液，磁粉便会吸附在裂纹处，显示出裂纹的位置、形状和大小等。用紫外线灯照射，此时曲轴呈浅色，而裂纹处为黑色，如检查纵向裂纹则采用小电流进行探伤，该方法仅局限于检测表面和近表面处的裂纹。另外，采用超声波、X射线和涡流检测等方法，同样可以实现对表面和内部裂纹的全面检测，甚至可以明显区分晶粒度的大小，为热处理的产品质量问题提供鉴定和区别的依据。

1.1.1.5　曲轴的热处理质量检验

曲轴的热处理质量检验项目如下。

①基体的硬度。

②表面硬化层的深度、硬度和长度。

③氮化层的深度、硬度和表面质量。

④表面不允许有裂纹（使用磁力探伤机检测）、表面烧伤、淬火表面烧伤等。

1.1.1.6　曲轴的常见感应淬火缺陷分析与对策

为便于正确认识曲轴在热处理过程中出现的常见缺陷，现将其汇总列于表1-11中，供参考。

1.1.2　半轴的热处理工艺与规范

1.1.2.1　工作条件和性能要求

半轴是汽车后桥受扭矩及一定冲击力的重要结构件，是传递动力的主要部件之一，在工作过程中将主减速器、差速器传来的扭矩最后传给驱动车轮，即起到传递发动机扭力和驱动后桥圆锥齿使车轮前进的作用，花键受力处既有滑动又有冲击，半轴的使用寿命取决于花键齿的抗压能力，要求有较高的静扭转强度和扭转疲劳寿命、良好的耐疲劳性能及冲击韧性等，较深的硬化层等，来满足实心半轴的正常需要，通常载重车采用全浮式半轴，易损坏部位在杆部和法兰连接处，或受冲击扭转花键以及花键与杆部连接处，产生疲劳断裂，其使用寿命主要取决于花键齿的抗压和耐磨性能。而小客车为半浮式半轴。图1-10为半轴示意图，其中a、b、c三处为半轴易损坏部位。

根据汽车半轴的工作状态和失效形式，一般选用中碳钢或中碳合金钢制作。对小型汽车大多使用40Cr、40MnB，对于直径小于40mm的半轴采用中碳调质钢如40、45钢等，而重型汽车的半轴则采用淬透性较高的合金结构钢如40Cr、40CrMn、40MnB、40CrMo、40CrNiMo、47MnTi、40CrMnMo、40CrMnTi、40CrNi等。汽车半轴常见材料见表1-12。

注：只有在特殊情况下，可采用12CrNi4A钢制造进行渗碳处理，必须控制残余奥氏体的数量，最后进行淬火处理。

1.1.2.2　半轴的机械加工工艺流程

半轴的机械加工流程与其热处理工艺密切相关，即选择的工艺路线是依据热处理的编排顺序而确定的，一般半轴进行调质和表面淬火的路线分别如下。

①调质　剪切或锯切下料→锻造成形→正火或退火处理→校直→切削加工→调质处理→喷丸处理→检查→精加工→检验→成品→防锈包装。

②表面淬火　下料→锻造→预备热处理→校直→机加工→表面淬火→校直→精加工→检验→成品→防锈包装。

半轴的正火或退火工序作为调质前的预备热处理，其目的是为了细化晶粒，降低硬度和改善切削加工性。对40Cr、40MnB等正火温度为860～900℃，时间45min，空冷。硬度为187～241HBS；对40CrMnMo等退火温度和时间为860～880℃，时间100min，炉冷600℃出炉。硬度为≤255HBW。

1.1.2.3　半轴的热处理工艺

从对半轴的技术要求来看，需要对其进行调质处理和表面淬火，以获得理想的力学性能，实现较高的静扭转强度和扭转疲劳寿命、良好的耐疲劳性能及冲击韧性等，因此热处理工艺的制定是要根据半轴的要求，采用科学、合理而又经济的手段进行的。

半轴的热处理技术要求见表1-12，通常采用中碳钢或中碳合金钢等制造，个别是低碳钢渗碳后进行淬火处理。

（1）半轴的调质工艺

汽车半轴的调质处理的目的是：为了获得均匀一致的回火索氏体组织，使半轴心部具有良好的综合力学性能，确保基体的强度和良好的韧性，为最终的表面淬火做好组织上的准备。上述几种钢的调质工艺列于表1-13。

从表1-13可知，中碳合金钢处理后硬度在37～47HRC之间，故其组织为索氏体+部分回火屈氏体，有较好的疲劳强度、高的冲击韧性等，完全能满足工作需要。

（2）半轴的表面淬火处理

从半轴的工艺流程可以看出，表面淬火前的预备热处理为正火、退火或调质，得到了合理的基体硬度和强度，为表面淬火做好了组织上的准备。

①热处理技术要求　对轻型载重车和小轿车的法兰盘式半轴（直径在50mm以下）的淬硬层深度按要求确定见图1-11，这里以40Cr为例简述半轴的表面淬火技术要求：淬火前调质基体硬度为321～375HBS，淬火后的硬度达到45～58HRC，回火后的硬度均要求在45～50HRC，硬化层深在2.5～5mm之间。

硬化层的深度要求如下：法兰盘根部圆角要淬硬，圆角硬化区的最小直径要比半轴杆部直径大25％；花键处为键直径的10％；杆部为直径的15％。硬化区可允许有少量的铁素体，在半马氏体处的铁素体量应≤20％。根据半轴的工作条件和产生质量问题的主要环节，硬化层必须从法兰盘根部开始直到花键的末端4～7mm，如盘根部没有硬化或硬度不够，则将大大降低半轴的整体强度。

②表面淬火的特点　半轴过去多采用调质处理，使用寿命不高。而随着科学技术的进步，目前国内外基本采用感应淬火来代替调质处理，明显提高了半轴的疲劳寿命，从几倍到几十倍是普通调质处理工艺所无法比拟的，具体区别见表1-14。

从表1-14中可知，汽车半轴经调质处理的疲劳断裂循环次数明显低于感应淬火，这同感应加热淬火后半轴的表面获得的残余压应力有关，因此感应淬火是提高零件使用寿命的表面强化技术，从某种意义上说，它具有操作简单、成本低、易于获得良好的强化效果的特点，在汽车制造中得到越来越多的推广和应用。一般汽车半轴采用圆环感应器进行连续淬火加热，为了加强加热的效率，在有效圈上常装有硅钢片导磁体，槽口斜对法兰圆角，其目的是利用槽口效应，将有效圈上中频电流在圆角驱逐到与圆角对应之处，此处在10s内可得到迅速加热，可以得到非常合理的表面硬化层。所用圆环感应器见图1-12，除此以外，半圈式半轴感应器连续淬火技术与圆环感应器相比具有以下优点。

a.能使阶梯轴的小直径轴根处硬化层平直连续，具体比较见表1-15。

b.解决了花键齿顶硬度偏低的问题。

c.消除了花键过渡软带问题，防止了花键过渡区出现“磁场跳跃”，避免造成软带现象的发生。

③表面淬火的工艺参数　其表面加热淬火的工艺参数和要求如下。

加热功率为150～300kW，频率为2500～3000Hz，半轴采用中频感应加热表面淬火，冷却水流速不小于10m/s，淬火后的工件表面压应力可达700～800MPa，经过250℃回火后，降到400～500MPa。因此保证半轴表面存在一定的残余压应力，将有助于使半轴有较高的疲劳强度，可采用自回火，也可在炉内回火，温度控制在180～250℃，时间为90～120min。为了保证法兰圆角的均匀加热，可在感应器上加导磁体，具体见图1-13。表面淬火后的回火一般在淬火后马上进行感应加热回火，随后在井式炉或箱式炉中进一步回火；也可感应淬火后立即在炉中回火。事实证明，前一种回火方式有利于防止回火前裂纹的产生。

④半轴整体表面淬火　半轴整体表面加热淬火技术的出现是感应淬火加热技术的重大进步，该方法即提高了生产效率又节约了能源，由于加热时有效方向与半轴中心线平行，产生垂直于半轴轴线的横向磁场，故轴向尺寸变化也不会引起磁感应线的转移。因此矩形感应器纵向加热整体淬火技术与半轴连续淬火相比具有以下特点：a.生产效率高，便于实现机械化和自动化；b.利用邻近效应加热，加热层浅，因此半轴的淬火变形小，只有10％的淬火半轴需要调直；c.表面获得均匀加热，无淬火裂纹和硬度不均匀现象；d.淬火消耗的电量低；e.提高了花键齿顶的硬度。从图1-14中可以看出，在有效圈A端的圆弧处镶嵌有硅钢片导磁体，因此在感应加热过程中使半轴法兰根部圆角的升温速度较快，该处加热均温时间长，确保了硬化层的深度和有足够的硬化区域。同时矩形感应加热感应器与半轴的间隙为5～8mm，因此升温慢，加热时间长，硬化层厚而均匀，克服了连续淬火时产生软带造成强度低的缺陷，有效避免了花键尾部的断裂。

表1-16为40MnB钢带法兰半轴的常见感应淬火工艺规范。

为了克服半轴感应热处理不便于实现机械化和自动化，靠近半轴杆部花键区会产生软带、强度较低，在使用过程中会在花键的尾部断裂。事实证明，采取整体一次感应加热，使法兰圆角部位加热效果增加，此处加热温度均匀和时间短，故确保了该处硬化层深度和足够的硬化区域，既提高了疲劳强度，又使花键齿部硬度得到了提高。

1.1.2.4　半轴的热处理工艺分析与实施要点

（1）水温对淬火质量的影响

需要引起注意的是：中频淬火时用水作为淬火介质，采用喷射冷却，淬火冷却速度是很快的，图1-15为28℃自来水在不同的冷却方式下的冷却能力的比较，从图中可知，冷却前、后的冷却速度相差很大。因此，在半轴的实际热处理过程中，要采取切实可行的冷却方式，避免出现因冷却速度过快而造成半轴开裂现象。资料介绍，淬火水温对花键淬火裂纹的影响十分明显，具体见表1-17。另外，50℃的冷却水在200～300℃温度区间内的最大冷却速度低于静水的浸沉冷却，因此可以消除淬火裂纹的产生，由此可见淬火冷却性能不良和冷却方式不佳（如冷却速度和均匀性）同样会引起淬火裂纹的产生，对于硬化层较薄（2～3mm）的花键及一些形状简单零件，采用自来水作淬火介质是没有淬火危险的。

（2）回火方式对质量的影响

资料介绍，EQ1090汽车后桥半轴经感应加热回火后，疲劳寿命比炉内回火寿命提高1倍，其原因在于，高频加热时最外层首先在感应圈内产生马氏体的分解，使体积收缩，处于相变的超塑性阶段，待整体回火完成后，表层形成更大的压应力。因此有利于提高疲劳强度和应力的分布，而炉内回火则无此压应力出现。回火对半轴扭转疲劳寿命的影响见表1-18，材料为40MnB，正火处理，试验条件中频淬火（频率8000Hz），硬化层深6～7mm，扭转力矩为2940N·m。

另外，汽车后半轴用40Cr钢制造，首先经过调质处理后，基体硬度控制在22～28HRC，组织为均匀细致的回火索氏体组织和少量的铁素体。仍然采用中频淬火的方法，获得高的表面硬度，杆部硬化层硬度为55～63HRC、花键部分硬度48～55HRC，硬化层深度为3.5～6.0mm。半轴的热处理质量控制有淬火后硬度≥477HBW，硬化层深度自零件表面测至半马氏体区的距离必须大于杆部直径的1/4，金相组织为回火索氏体和托氏体。

（3）冷却方法的选用和校直

半轴在热处理过程中发生的淬火裂纹和早期的疲劳断裂，经分析多半同盘部和杆连接处存在大量的网（块）状铁素体有关，此处硬度低。一般是淬火工艺不良、操作不当造成的，盘部入水时间过早或离水面太近，淬火后的应力过大，产生淬火裂纹；淬火时盘部离水面过远，盘部和杆连接处产生强度和硬度低的铁素体组织，将造成半轴的早期疲劳断裂。因此，为了防止淬火开裂、提高其疲劳寿命，在对半轴进行整体加热时，使盘部首先油冷出油后进行自回火，最后进行整体水冷的工艺方法，如在进行一次中频淬火，其疲劳强度将成倍提高。对于感应淬火，零件表面淬火缺陷的检验十分重要，及时检出可避免后续加工的浪费，检查出存在淬火裂纹和材料裂纹的零件，通常采用磁粉探伤法，它是利用钢铁零件本身具有铁磁性的性质进行的。

半轴的校直尽可能是冷校，因用氧乙炔热点加热后，一旦温度高于相变温度，在急冷后形成粗大的马氏体，应力很大，半轴在受到反复载荷的作用，逐渐扩张出现疲劳断裂。

感应加热回火多采用多匝圆柱形感应圈，以保证半轴加热温度的均匀，推荐的尺寸为ф60mm×（15～25）mm，花键和杆部的淬火移动速度分别为0.36m/min和0.30m/min。

（4）半轴的工艺改进

早期制造的40Cr材料的汽车半轴多半采用的工艺流程为：锻造→退火→机械加工→正火→表面中频淬火→低温回火等，事实上，在工作过程中出现的半轴的早期脆性断裂与此工艺有关联，即与热处理后半轴的疲劳强度不足有关。因此为了提高疲劳强度，可从提高表面粗糙度和表面强度上入手，进行结构和尺寸的改进以及改进热处理工艺方法。考虑到易损坏的部分为杆部与法兰盘圆弧连接处和两花键与杆连接处断裂，另一个为花键端面的磨损。40Cr材料的含碳量在0.37％～0.44％，其含碳量低于45钢，因此正火（870～890℃加热空冷）后获得了细的珠光体组织，其硬度在200HBW左右，经过中频淬火，尽管半轴的耐磨性符合工艺要求，但心部硬度偏低，造成其强度和冲击韧性偏差，无法满足半轴的服役条件的要求。

而将正火改为调质处理（840～860℃淬火油冷，550～600℃回火水冷）后，半轴的整体硬度在260HBW左右，金相组织为回火索氏体，它本身具有强度和韧性的良好配合，大大提高了冲击韧性值，表面中频淬火后表面的疲劳强度和耐磨性得到了提高，为了获得最大的残余压应力，要求过渡层的厚度应小于硬化层的1/4，通常选取的热透入深度为硬化层深度的2倍（为最佳的淬硬层深度）。

1.1.2.5　半轴的热处理质量检验

半轴的热处理质量检验具体参见表1-19和表1-20执行。

1.1.2.6　半轴调质和表面淬火的缺陷分析与对策

从汽车半轴的调质处理和表面淬火工艺的制定，可以了解到热处理的几个重要环节——加热、保温和冷却，要完成半轴的上述过程，则需要选用加热设备、加热介质或气氛、冷却介质、工艺装备等，这些对半轴的热处理质量有重要的影响。为了规范操作，便于工程技术人员和操作者及时预防和避免热处理过程中缺陷的产生，现将常见的半轴调质和表面淬火缺陷列于表1-21中，供参考。

1.1.3　凸轮轴的热处理工艺与规范

1.1.3.1　凸轮轴的工作条件和性能要求

凸轮轴是发动机配气系统中的重要部件（见图1-16），凸轮轴的旋转是依靠曲轴带动的，用来保证各个气缸内进、排气门按一定的时间正常开启和关闭，保证发动机充分换气，使进、排气门持久地确保燃烧室的密封性，确保发动机具有良好的可持续性和动力性。另外，凸轮轴还要用来驱动燃烧系统等零件。在低应力作用下，凸轮轴与气门阀杆、挺杆构成摩擦副，在工作过程中承受连杆挤压应力作用，其次受到一定的弯曲和扭矩的作用，同时又要承受周期性变化的挤压应力以及与挺杆相接触产生的滑动带滚动摩擦的作用，也受到周期性的冲击载荷和磨损。凸轮轴与挺柱配合接触面压应力大，工作过程中摩擦生热，而散热条件差，容易出现刮伤、撕裂、剥落以及早期的磨损等，故工作条件恶劣。凸轮轴的主要损坏形式为接触疲劳破坏（黏着磨损即擦伤）、凸轮磨损、表面压应力反复作用造成麻点和块状剥落等。因此要求凸轮轴必须具有以下特性。

①良好的接触疲劳强度和抗擦伤性。

②高的硬度和良好的耐磨性。

③接触表面具有足够的强度和刚性，可承受气门开启的周期性冲击载荷的作用。

凸轮轴的材料要根据气门挺杆的材料而定，两者的材料要相匹配，同时要考虑到设计和使用的要求，影响凸轮轴选择材料的因素有以下几个。

①在发动机中的工作条件和使用工作状况。

②凸轮轴与挺杆间的最大接触应力、相对滑动速度、润滑条件。

③匹配挺杆材料、硬度以及表面状态等。

因此根据凸轮轴的工作条件，符合要求的材料有两类，即钢和铸铁，钢分为感应淬火钢、渗碳钢、渗氮钢（或氮碳共渗钢）；铸铁分为冷激铸铁、可淬硬铸铁、球墨铸铁感应淬火、氩弧重熔铸铁等，凸轮轴材料的选择具体见表1-22。

一般的凸轮轴选用渗碳钢和中碳钢，对于大马力的高速发动机，凸轮轴采用镍铬钼（或铝）合金铸铁、铜钒钼合金铸铁制造。合金铸铁的弹性模量比中碳钢和球墨铸铁的低，故能够减小接触压力和保持表面的润滑油膜，铸铁中加入合金元素可明显提高铸铁的力学性能或物理化学性能，如铬、铜、镍、钼和钒等显著改变铸铁的耐磨性，铬、铜、镍、磷和硅能提高铸铁的抗腐蚀能力，同时铬、镍、钼、硅等元素增强了耐热性。通常用45（最佳含碳量为0.40％～0.47％可保证合适的淬透性）、50Mn2钢等制作凸轮轴，具有工艺简单、制造成本低等特点，其毛坯晶粒度控制在6～8级，获得的各项技术指标完全符合要求。

冷激铸铁不需进行热处理，其表面存在软硬相间的复相组织，使其有很高的硬度和低的摩擦系数，不会发生黏着现象。因此具有最优秀的抗擦伤性能、较好的抗点蚀剥落性和较高的耐磨性，该类铸铁一般含碳量高，以保证冷激层的硬度和碳化物的含量。常见合金铸铁和冷激铸铁的化学成分见表1-23、表1-24。

1.1.3.2　凸轮轴的机械加工工艺流程

合金铸铁凸轮轴的工艺流程为：铸造→调质或正火→粗机械加工→去应力退火（590℃×5h加热后炉冷200℃出炉空冷）→机械加工→感应加热等温淬火（870℃加热，在300℃硝盐溶液中冷却60min后提出空冷）→回火（590℃×5h）→氮碳共渗→检验和装配等。

1.1.3.3　凸轮轴的热处理工艺

（1）热处理技术要求

①15钢等低碳钢的化学热处理：对渗碳钢的技术要求为渗碳处理后渗层1.5～2.0mm，凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为55～63HRC，齿轮的硬度为45～58HRC，可提高表面的耐磨性；对凸轮轴进行低温氮碳共渗处理，氮碳共渗层0.10～0.20mm，表面硬度≥550HV，明显提高抗擦伤和防止出现热咬合能力，其耐磨性为中碳钢淬火后的两倍以上。

②45钢凸轮轴的表面处理技术要求：凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为55～63HRC，硬化层深2～5mm，齿轮的硬度45～58HRC，硬化层深度2～5mm。

③合金铸铁凸轮轴的技术要求：凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为48～58HRC，硬化层深2～5mm，齿轮的硬度45～58HRC，硬化层深度2～5mm。采用感应加热可提高凸轮轴的强度和耐磨性，确保在工作过程中具有高的疲劳强度和使用寿命。

（2）热处理工艺规范

对渗碳钢和中碳钢制造的凸轮轴而言，最终热处理前，要对凸轮轴进行调质处理或正火处理，其目的是获得均匀细化的索氏体组织，确保基体有足够的强度和良好的韧性来满足凸轮轴基体的工作需要，这是对其进行预备热处理的基本要求。

凸轮轴的热处理分为表面淬火和化学热处理等，根据其具体的技术要求来分析和判断工艺制定的正确性，对于凸轮轴的热处理质量，有重要的影响，从某种意义上讲，设计的工艺参数应能准确反映出质量状态，并能确保质量合格。

①感应加热热处理工艺　一般汽车、拖拉机等内燃机凸轮轴大多采用感应加热完成表面的热处理，它具有加热速度快、质量稳定、节约能源、机械化和自动化程度高等特点，其热处理工艺成熟和便于操作，该工艺可明显提高凸轮轴基体表面的抗拉强度、硬度、耐磨性能和疲劳极限，心部仍保持足够的塑性和韧性，根据其结构和技术要求，应对凸轮轴的凸轮、支承轴径、偏心轮和齿轮等主要工作表面在精加工前分别进行感应淬火处理。

为获得要求的硬度等，应选择理想的感应器。通常感应器一般选用以下两类。

a.圆形感应器。应用于中频淬火，采用凸轮轴旋转方式，感应器内径大于支承轴径，间隙较大。

b.仿凸轮轴形感应器。同高频感应淬火或具有特殊形状的具体要求，凸轮与感应器的间隙很小，因此硬度均匀，可根据凸轮轴各部分硬化层深度来改变仿形形状，该类感应器分为单圈和双圈两种。另外，为了获得凸轮周边均匀的硬化层，可使用分开式的感应器，见图1-17。在实际生产过程中，凸轮轴在一根轴上有若干个凸轮、主轴径、齿轮和偏轮要进行感应淬火，而它们之间的距离较近，势必会影响到彼此的硬度，故中频淬火感应器必须有屏蔽装置来进行保护。

其磁场屏蔽装置有两种：一种为铜环屏蔽法，是在感应器的两侧加上云母片或胶木板，外侧加上铜管或铜板制成的铜环，具体见图1-18。其原理为磁力线穿过铜环将产生感应电流，而感应电流产生的磁力线与有效圈上产生的中频电流产生的磁力线方向相反，故削弱或抵消了逸散的磁力线，两侧的凸轮或主轴径的边缘不会受到加热。另一种为低碳钢环屏蔽法，同铜环屏蔽法相似，装上低碳钢或工业纯铁制造的钢环，如图1-19所示。其工作原理为，钢环或纯铁环的相对磁导率高于空气，对逸散的磁力线有吸引或约束作用，因此保护相邻的凸轮或主轴径的边缘免受加热，资料介绍同时采用两种屏蔽方法效果更好。最后为硅钢片屏蔽法，即在有效圈外侧卡上一圈硅钢片，经过磷化处理，同样具有良好的屏蔽作用。

对于材料为中碳钢的凸轮轴来说，感应加热表面淬火具有容易控制、节能、生产效率高、产品质量好、便于实现机械化等特点，它抛弃了盐浴炉、电阻炉等工件必须完全加热的弊端，因此得到了较为广泛的应用。考虑到6102发动机凸轮轴要求的硬化层深，故选择中频感应淬火，常用的频率为2500Hz和8000Hz。该凸轮轴的热处理在粗磨凸轮、偏心轮之前，在淬火机床上进行中频淬火，硬化层深度在2～5mm，淬火后硬度在55～63HRC。需要注意的是感应器的合理设计与淬火质量的问题，表1-25为6102发动机凸轮轴表面感应加热淬火（中频淬火）工艺规范。

45钢和合金铸铁的凸轮轴表面淬火的工艺参数及质量要求见表1-26。

②球墨铸铁凸轮轴的等温淬火工艺　球墨铸铁凸轮轴一般选用QT600-3，除少数采用中频淬火或进行氮碳共渗外，绝大部分凸轮轴在毛坯正火或去应力退火加工后，进行贝氏体的等温淬火处理，获得理想的下贝氏体组织（以及少量马氏体+少量残余奥氏体组织）和硬度要求，球墨铸铁凸轮轴等温淬火后可以获得高强度或超高强度，同时具有较高的塑性、韧性，因而凸轮轴具备良好的综合力学性能和耐磨性，热处理后变形小的特点，满足其工作需要，具体见表1-27。

球墨铸铁凸轮轴的热处理工艺包括一般的正火、等温或分级淬火、表面改性处理等，表面热处理和化学热处理同普通的热处理工艺相比，可获得最佳的表面硬化层，提高了凸轮轴的疲劳强度、弯曲强度及良好的耐磨性、抗腐蚀性等，具体影响见表1-28，当硬度不足则将造成性能和使用寿命的降低，而过厚的硬化层，会增加凸轮轴的脆性和内应力，出现早期的失效和损坏，因此合理的选择工艺方法，对于凸轮轴的寿命有重大的影响。

目前对球墨铸铁凸轮轴进行热处理强化和冷加工复合强化新工艺，即球墨铸铁凸轮轴经热处理后在滚压处理。如正火+滚压轴颈与曲柄臂过渡圆角处，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化层，增大了残余压应力的作用，提高使用寿命70％以上，效果十分明显，在生产中得到了十分广泛的应用。

③凸轮轴的氮碳共渗工艺　凸轮轴在表面处理前要进行正火或调质，以使其得到良好的力学性能。为提高凸轮轴的耐磨性和抗腐蚀性，可对其进行化学热处理（如氮碳共渗等），图1-20为凸轮轴的氮碳共渗工艺，材质为合金铸铁、渗层0.10～0.15mm，化合物层为4～6μm，硬度在900HV以上使用寿命可提高三倍以上，在表面形成了CrN、MnN等合金氮化物。

另外，近十几年来，对于凸轮轴的热处理工艺研究更加深入，其目的是提高凸轮轴的表面强化效果，例如真空表面硬化处理，它是利用真空加热中对活性表面反复进行活性原子的扩散，再在氮气气氛中冷却、加热和保温，使晶粒细化，促使表面硬化，或者在真空加热炉中氮气气氛中产生辉光放电而离子化，轰击凸轮轴表面而被吸收，达到表面硬化的目的，其流程为：工件→真空加热炉→CH4（真空加热气逆分解）→N2（冷却到550～600℃）→加热→淬火油冷（获得细晶）。与此类似的有气相沉积表面硬化处理、氩弧重溶淬火、激光热处理等，资料介绍，激光表面热处理是一种表面强化处理的新技术，它可以提高金属材料以及零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性以及整体强度和耐高温性能，同时还可确保基体（心部）组织具有较好的韧性，是一项值得推广的新技术。

1.1.3.4　凸轮轴热处理的工艺分析与实施要点

①凸轮轴进行感应淬火表面硬化处理后，其奥氏体晶粒得到了细化，使表面硬度高，耐磨性以及耐疲劳性得到改善，另外，具有变形小、效率高、节能、自动化和机械化操作。其流程为：选用感应圈→淬火900～930℃→水淬油冷→回火等。中频淬火后利用余热进行自回火，可消除淬火组织应力；正火+中频淬火后，心部为细片状珠光体，硬度在255HB，心部具有良好的强度和高的韧性。

a.感应加热的感应器设计应根据要求制作。其形状可制成仿形或圆形。其高度比凸轮轴高4～8mm，内径与轴径间隙在3～4mm之间，避免出现因间隙不等而造成硬度的明显差异，同时要观察感应器和凸轮轴彼此的位置应相对固定。

b.感应器上的ф1.5～2mm的喷射孔，确保无堵塞，水压符合设计要求，凸轮轴可旋转或静止不动。大批生产时，所有的凸轮轴上各淬火部位应一次同时加热完成的，否则，如分段加热，则容易出现软点或软带，直接影响到凸轮轴的表面耐磨性等，对其使用寿命等有直接的影响。

c.完成感应淬火后的凸轮轴要立即放进井式回火炉内或硝盐回火炉，如要采用感应回火或自回火则要掌握好加热的工艺参数，自回火的温度要高于炉内回火50～70℃。

②等温淬火。

a.球墨铸铁制作的凸轮轴大多进行等温淬火，以获得贝氏体组织，其等温冷却介质为硝盐浴，由于凸轮轴在盐浴中加热，淬火时带入的氯化盐使硝盐的老化明显加快，因此要定期捞渣和补充新硝盐。

b.为防止出现意外事故，盐浴炉禁止采用木炭覆盖在盐浴表面而减少热量的散失，其目的是避免其与硝盐混合而爆炸，同时硝盐温度的控制要符合要求，如温度高于要求，应进行必要的冷却（采用蛇形管等，冷却水循环利用）。

c.淬火后的零件采用煮沸的热水清洗，将凸轮轴上黏附的硝盐清除干净，否则出现吸潮和表面锈蚀，将直接影响到外观产品的尺寸和表面质量。

③从感应淬火原理可知，频率不同则淬硬层的深度不同，而频率越高则淬硬层的深度反而越小，因此，在生产过程中，可根据零件的具体技术要求和工作状况（即淬硬层深度和性能）来确定合理的工艺参数，作为中碳钢制作的凸轮轴，采用中频淬火处理的工艺是正确的，凸轮轴主要工作表面的中频淬火应分步进行，首先进行支承轴径和齿轮表面的淬火，最后完成凸轮、偏心轮表面的淬火处理，这样可确保热处理后的硬度和组织不受影响。

④凸轮轴的表面氮碳共渗技术已经得到了比较广泛的应用，在实施过程中，应注意工艺参数对表面热处理技术要求的影响。

1.1.3.5　凸轮轴的热处理质量检验

凸轮轴的热处理包括预备热处理和最终热处理（表面热处理和化学热处理等），因此对于凸轮轴硬度、力学性能、显微组织、硬化层深度、表面质量等项目应进行检验，这里只列出了感应淬火的质量检验，具体见表1-29，化学热处理后的质量检验可参考其他章节，这里不再赘述。

1.1.3.6　凸轮轴感应淬火常见缺陷分析与对策

凸轮轴的表面淬火主要是感应淬火，它实现了盐炉、可控气氛、真空炉等无法实现的表面连续淬火处理，因此得到了极为广泛的应用，目前国内外凸轮轴的制造行业已将其作为成熟的工艺应用于生产中。与其他热处理工艺方法一样，对感应淬火也应一分为二地看待，同样存在热处理缺陷的可能，工艺人员和操作者根据感应淬火生产实践经验，总结出部分缺陷产生的原因，同时提出了部分措施和建议，以便于指导今后的感应淬火，现汇总如下，具体见表1-30。